Еще один путь изучения глубинного строения Земли — это изучение ее теплового потока. Известно, что Земля, горячая изнутри, отдает свое тепло. О нагреве глубоких горизонтов свидетельствуют извержения вулканов, гейзеры, горячие источники. Тепло — главный энергетический источник Земли. Прирост температуры с углублением от поверхности Земли в среднем составляет около 15° С на 1 км. Это значит, что на границе литосферы и астеносферы, расположенной примерно на глубине 100 км, температура должна быть близкой к 1500° С. Установлено, что при такой температуре происходит плавление базальтов. Это означает, что астеносферная оболочка может служить источником магмы базальтового состава. С глубиной изменение температуры происходит по более сложному закону и находится в зависимости от изменения давления. Согласно расчетным данным, на глубине 400 км температура не превышает 1600° С и на границе ядра и мантии оценивается в 2500-5000° С.
Установлено, что выделение тепла происходит постоянно по всей поверхности планеты. Тепло — важнейший физический параметр. От степени нагрева горных пород зависят некоторые их свойства: вязкость, электропроводность, магнитность, фазовое состояние. Поэтому по термическому состоянию можно судить о глубинном строении Земли. Измерение температуры нашей планеты на большой глубине — задача технически сложная, так как измерениям доступны лишь первые километры земной коры. Однако внутренняя температура Земли может быть изучена косвенным путем при измерениях теплового потока.
Остывает ли наша планета за счет теплового потока? Подсчитано, что средний тепловой поток с квадратного метра равен 0,06 Вт, что составляет около 30 триллионов ватт для Земли в целом. Солнце посылает на Землю тепловой энергии в 4 тыс. раз больше. Таким образом, основным источником тепла на Земле является Солнце, но при этом интересно отметить, что суммарная мощность теплового потока превышает в 30 раз мощность всех электростанций Земли.
Измерения показали, что средний тепловой поток на континентах и в океанах одинаков. Этот результат объясняется тем, что в океанах большая часть тепла (до 90%) поступает из мантии, где интенсивнее происходит процесс переноса вещества движущимися потоками — конвекцией. Конвекция — процесс, при котором разогретая жидкость расширяется, становясь легче, и поднимается, а более холодные слои опускаются. Поскольку мантийное вещество ближе по своему состоянию к твердому телу, конвекция в нем протекает в особых условиях, при невысоких скоростях течения материала. Какова же тепловая история нашей планеты? Ее первоначальный разогрев, вероятно, связан с теплом, образованным при соударении частиц и их уплотнении в собственном поле силы тяжести. Затем тепло явилось результатом радиоактивного распада. Под воздействием тепла возникла слоистая структура Земли и планет земной группы. Радиоактивное тепло в Земле выделяется и сейчас. Существует гипотеза, согласно которой на границе расплавленного ядра Земли продолжаются и поныне процессы расщепления вещества с выделением огромного количества тепловой энергии, разогревающей мантию.
Итак, изучение теплового потока Земли свидетельствует о конвективном перемещении вещества, связанном с тепловым потоком Земли, и о наличии ядра, мантии и коры, т. е. свидетельствует о ее слоистом строении.
При рассмотрении вопроса о тепловом балансе Земли небезынтересно остановиться на гипотезе советского ученого С. М. Григорьева. По представлениям этого автора, в глубинах Земли обязательно должна существовать зона пород, в которой господствует температура 374,15° С. Эта температура — критическая для воды. При ней, каково бы ни было давление, образуется пар. Но вода способна растворить многие минеральные вещества, превращаясь в растворы. Критическая температура у минеральных растворов выше, чем у чистой воды, и достигает 450° С. Под действием гидростатического давления она стремится стечь вниз, просачиваясь через проницаемые породы земной коры и растворяя в них на своем пути различные минеральные вещества. При температурах выше 400° С с минеральными растворами и породами происходят постепенные изменения: вода в виде пара уходит вверх, захватывая с собой летучую кремнекислоту, а железо, кальций, магний, титан и ряд других элементов оседают, уплотняя залегающие породы. Пар снова превращается в воду, а кремнезем выпадает в осадок. Затем все повторяется сначала. Так выглядит механизм действия "дренажной оболочки". Важно отметить, что такой процесс восходящей и нисходящей циркуляции возник на самых ранних стадиях появления и формирования нашей планеты и, видимо, будет происходить бесконечно длительное время.
Таким образом, С. Григорьев отождествляет нашу Землю с огромным паровым котлом, тепловая энергия которого в 10 тыс. раз превосходит количество тепла, заключенного в геологических запасах различного топлива. Перед наукой и техникой поставлена серьезная задача — научиться извлекать из "дренажной оболочки" Земли тепло для нужд человечества в ближайшие годы.
Состав различных оболочек Земли теоретически может быть определен, если известны их плотность, температура и давление. Используя зависимость между перечисленными параметрами, ученые теоретически рассчитали, какими породами может быть сложена та или иная оболочка Земли. По минеральному составу Земля, таким образом, делится на три части: нижнюю, представляющую собой железное ядро, среднюю — оболочку, отвечающую мантии и сложенную силикатами ультраосновного состава, и верхнюю оболочку — литосферу, характеризующуюся разнообразным составом пород.
Таково современное состояние твердой Земли. Однако известно, что наша планета, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась около 4 млрд. лет назад путем аккреции вещества газово-пылевого протопланетного облака. Первичное скопление материала, вероятно, происходило, при температурах, не превышающих 100° С, при которых могло идти образование некоторых магнезиальных силикатов, металлического железа и некоторых сульфидов железа. Основной путь образования планет заключался в дифференциации материала с образованием оболочек и ядра. Высокие температуры, известные в недрах Земли, могут быть объяснены распадом короткоживущих радиоактивных элементов и, возможно, тяжелой метеоритной бомбардировкой, характерной для всех планет земной группы. Установлено, что расслоение Земли на ядро и оболочки стало возможным после того, как температура ее отдельных частей достигла 1500° С, т. е. поднялась до точки плавления железа. Расплавленное тяжелое железо, скапливаясь по законам гравитации, образовало ядро, вокруг которого происходила концентрация пород мантии и литосферы. Естественно, что процесс образования планет из газово-пылевого облака был длительным. Длительность этого процесса зависит от массы и размеров планет. Поэтому становится понятным, что Земля, имеющая больший радиус, чем, скажем, Луна, Марс, Венера и Меркурий, обладает большими энергетическими ресурсами и продолжает свое геологическое развитие до настоящего времени.
Внутреннее строение Земли, Марса и Луны. 1 — континентальные области; 2 — океанические области; 3 — полярные зоны; 4 — ядро; 5 — мантия; 6 — кора
Луна, Марс, Венера и Меркурий свои энергетические ресурсы утратили и поэтому представляют собой геологически пассивные объекты. Этим выводом можно объяснить и то положение, что Земля и Луна, сформированные примерно на одном удалении от Солнца, согласно законам распределения вещества с одинаковыми магнитными свойствами — магнитной сепарации, должны иметь равные исходные концентрации элементов, в том числе и радиоактивных. Луна, в отличие от Земли, находясь в состоянии тектонического покоя, может расходовать радиоактивное тепло только на подогрев своего тела, в то время как на Земле оно является также и источником тектонических преобразований.
При построении модели Марса следует исходить из теоретических расчетов о конденсации протопланетного облака в зоне этой планеты в условиях, при которых часть железа замещалась серой, а магнезиальные силикаты обогащались железом в большем количестве, чем при образовании Земли и Венеры. Это обстоятельство может свидетельствовать о том, что ядро Марса слагается преимущественно сернистым железом; заметное количество железа присутствует и в его силикатных оболочках. По разработанной модели Марса его кора имеет толщину до 100 км, значительно обогащенную железом мантию — толщиной около 2500 км и небольшое ядро. Ядро Марса, по данным В. Н. Жаркова, составляет 7% полной массы планеты. Анализ гравитационного поля Марса и интерпретация полученной сейсмограммы позволили отметить распределение утонений и утолщений коры в зависимости от форм рельефа: более толстая кора соответствует возвышенностям, а более тонкая — понижениям. В среднем толщина коры под континентами Марса составляет 43-45 км, местами увеличиваясь до 80-100 км, а в пониженных участках — не превышает 10-30 км.
Меркурий имеет, вероятно, расплавленное железное ядро и силикатную оболочку. Температура на границе ядра и силикатной оболочки оценивается 2000° С.
Итак, планеты земной группы характеризуются слоистым строением. У них выделяются ядро, мантия и кора, размеры и соотношения которых индивидуальны для каждой планеты. Естественно, что наиболее изучены недра Земли, хотя и здесь имеется еще очень много нерешенных проблем. Современные технические средства позволили раскрыть некоторые тайны Луны и Марса и создать оптимальные модели их строения. К изучению Меркурия и Венеры ученые только приступили. Однако сведения, полученные при исследовании планет земной группы, достаточно однозначно свидетельствуют об образовании планет из газово-пылевого облака путем дальнейшей дифференциации материала с образованием ядра и оболочек.