Удивительные камни планеты Земля. Подземные недра

Во глубине подземных недр

И злато, услаждающее взор твой,
Из тёмных недр извлечено на свет. Возникшее из тьмы во тьму стремится, Недолговечен ни один предмет. Нетленен только дух, рождённый светом,
Ему вовеки окончанья нет.
Рождённый светом, он стремится к свету,
Смерть побеждая, оставляя след"  (Мирза Шафи Вазех)


   Недра -  часть земной коры, расположенная ниже почвенного слоя, а при его отсутствии - ниже земной поверхности и дна водоёмов и водотоков, простирающаяся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения.
  Недра могут рассматриваться как с точки зрения геологии, так и с правовой точки зрения - как юридическое понятие. Под термином "недра" иногда понимают не только подземное пространство с содержащимися в нём полезными ископаемыми, но и горные породы, вышедшие  на поверхность, все полезные свойства, включая полости,  энергетические и другие ресурсы.
   Впервые как юридический термин "недра", а точнее "недра земные", встречается в 1832 году в Уставе Горном Российской Империи, где полезные ископаемые рассматривались как составная часть недр.  Однако толкование терминов "недра" и "полезные ископаемые" не приводилось.
  Определение "полезные ископаемые" было дано лишь в Горном положении СССР 1927 года. (1) Полезными ископаемыми здесь назывались "составные части недр - твёрдые, жидкие и газообразные, которые могут добываться с промышленной целью путём извлечения или отделения их, независимо от того, находятся ли они в глубине или выходят на поверхность".
"Мне кажется, что нам надо внимательнее посмотреть на недра. Найдем мы что-то. Не может быть, чтобы кто-то искал и не нашёл"
(А. Г.  Лукашенко)
  Глубоко в недрах Земли находится минерал, о котором большинство людей и не слышали. Это Бриджманит. Минерал самый распространённый на Земле - он составляет почти 40% от всего объёма планеты.
   До 2014 года этот он был известен как силикат-перовскит.
  Перовскит - сравнительно редкий для поверхности Земли минерал, титанат кальция. Назван в честь русского графа Л. А. Перовского. (2)
  Общепринята точка зрения, что нижняя мантия Земли (слой между глубинами 660 км и 2791 км) состоит на 75-80 % из силиката магния, силиката железа перовскитоподобной фазы, на 5-10 % из силиката кальция и на 10—15 % из магниевого вюстита, и, следовательно, метасиликат магния (MgSiO3) - бриджманита, составляет около половины общего объёма нашей планеты.
"Строение недоступных недр планеты изучается по отзвукам землетрясений, по скорости сейсмических волн, отражённых на границах слоёв"
(Вячеслав Маркин)
   Название бриджманит  минерал получил в честь  Перси Бриджмена, лауреата Нобелевской премии по физике 1946 года.(3)
Бриджманит, основной компонент земной мантии, находится, по предположению ученых, на глубине 670-2900 километров, вплоть до края земного ядра.
  Наибольшая концентрация бриджманита (MgSiO3) наблюдается в нижних слоях мантии Земли при температуре 1800 градусов и под колоссальным давлением, которое в 240 000 раз выше, чем на поверхности Земли.
  Следы бриджманита нашли в алмазах, найденных глубоко в недрах земли.
  Учёных, естественно, интересует его состав  этого недоступного минерала,  кристаллическая структура. Но оказалось, что  Бриджманит кроется   ещё и  в метеоритах. (4)
  Поскольку исследовать бриджманит природного происхождения не представляется возможным, так как нет такого оборудования чтобы забрать его из глубин земной мантии,  учёные предположили, что образцы бриджманита в составе метеоритов, упавших на Землю, дадут необходимую информацию.
  Анализ образцов метеоритов позволил учёным и получить информацию о том, что происходит в мантии Земли. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.(5)
Когда ты звездой восходишь - мало кого радуешь…
Многих радуешь, когда метеоритом падаешь.
(Наталья Розбицкая)
  Группа исследователей  идентифицировала бриджманит в фрагментах метеорита, который упал в Австралии в 1879 году.
  Международная команда учёных под руководством Луки Бинди (6)  из Флорентийского университета (Италия) изучили фрагменты метеорита, упавшего в 1986 году в городском округе Суйчжоу китайской провинции Хубэй.
  В образцах обнаружили минералы, сжатые во время удара о землю настолько сильно, что позволило учёным предположить: в момент падения метеорита были те же условия, что существуют в глубине мантии.
  Анализ образцов показал, что в кристаллической структуре бриджманита происходит химическая реакция, называемая диспропорционированием: электроны перераспределяются между собой по-новому, так что образуется железо в металлическом виде. По словам Бинди и его коллег, это удалось подтвердить под сканирующим электронным микроскопом.
  В Индокитае под слоем лавы найден кратер от огромного метеорита.
Исследования подтвердили, что реакция диспропорционирования сыграла ключевую роль в окислительно-восстановительных процессах и в эволюции Земли.
"Теория эволюции, как и теория гравитации, - это научный факт. Эволюция - это реальное явление. Принять своё родство со всем живым на земле - это не просто научно, это, по-моему, ещё и головокружительный духовный полёт"
(Нил Деграсс Тайсон)
  Лабораторные эксперименты ранее предоставили информацию о кристаллической структуре бриджманита. Исследователи, используя специальные прессы высокого давления, сдавливали небольшие кристаллы минерала алмазными наковальнями и нагревали лазером. Оказалось, что по мере увеличения давления и температуры бриджманит проходит ряд фазовых переходов.
  Понимание свойств бриджманита имеет не только академическую ценность. Это также помогает лучше понять процессы, происходящие  внутри Земли. Например, свойства минерала решающим образом определяют, как его состав влияет на скорость распространения сейсмических волн. Тем не менее, авторы отмечают, что далеко не все ответы ещё получены.
  Учёные сделали очень важное открытие! Внутреннее ядро Земли замедлило и, вероятно, изменило направление вращения, что привело к изменению длительности дня на доли миллисекунды в течение года, считает группа ученых из Китая. Исследование, которое провели И Ян и Сяодун Сун из Пекинского университета, было опубликовано в журнале Nature Geoscience. Оно базируется на анализе сейсмических волн, вызванных землетрясениями. (7)
  Учёные проанализировали траектории сейсмических волн, вызванных повторяющимися землетрясениями, начиная с 1960-х и обнаружили, что в период с 2009 по 2020 год вращение внутреннего ядра остановилось и, возможно, изменило направление. Авторы исследования указывают, что результаты их наблюдений совпадают с изменениями в магнитном поле Земли и в продолжительности дня.
"Это свидетельствует о динамическом взаимодействии между слоями Земли от самых глубоких недр до поверхности", -  говорится в резюме научной работы.
  Российский космонавт записал видео с салютами на китайский Новый год
Внутреннее ядро нашей планеты твердое и состоит преимущественно из железа и никеля. От остальной поверхности Земли оно отделяется жидким внешним ядром, что позволяет вращаться не так, как вся планета. Внешнее ядро, в свою очередь, отделено от земной коры мантией. Изучая, как преломляются сейсмические волны при переходе через центр Земли, ученые делают выводы о его строении и составе, а также как разные слои геосферы взаимодействуют друг с другом.
  По словам соавтора исследования доктора Сяодун Суна,  вращение внутреннего ядра вызвано магнитным полем, создаваемым жидким внешним ядром.
  На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли.
  Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии.
  Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее "обычного". Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.
 Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики.* На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.
*Геотермальная энергия - это энергия, получаемая из природного тепла Земли. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров.
  В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной -  явление повсеместное, и задача заключается в "добыче" тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.
  В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°С на 1 км, а в Южной Африке - 6°С на 1 км.
  А какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250-300°С. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.
  Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10°С/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2-2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°С, на 10 км - 180°С, а на 12 км - 220°С.(8)
  Другой пример - скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42°С, на 2 км - 80°С, на 3 км - 108°С.
  Предполагается, что  на глубине 100 км предположительные температуры около 1300-1500°С, на глубине 400 км - 1600°С, в ядре Земли (глубины более 6000 км) - 4000-5000°С.
  На глубинах до 10-12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на б;льших глубинах.
  Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.
"Лава (от итал. lava  "падаю, ползу, скольжу, спускаюсь (вниз)", "затопляю" или "то, что спускается" в результате извержения вулкана) -  раскалённая вулканическая масса, изливающаяся или выбрасываемая на поверхность при извержениях вулканов. Лава - это магма, выплеснутая на поверхность земли и освободившаяся от вулканических газов. Скорость движения потока лавы может достигать нескольких метров в секунду. Температура лавы находится в пределах от 1000 °С до 1200 °C."
(из Википедии)
  На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.
Строгого определения понятия "термальные воды" нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20°С, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.
  Это и гейзеры. Гейзер - горячий источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара под давлением. Гейзеры являются одним из проявлений поздних стадий вулканизма, распространены в областях современной вулканической деятельности.
Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это и есть
 гидротермальная энергия.
  Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.
  На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн. тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.
  Воды температурой от 20-30 до 100°С пригодны для отопления, температурой от 150°С и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.
 В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.
  Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.(8)
   В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной  в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Помните мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallaj;kull) в 2010 году?
  Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.
  В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.
"Приручение" геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.
  Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.
  Но это тем не менее развитие  геотермальной энергетики  - это эксплуатация земных недр. Новые измерения свойств минерала бриджманита  из глубоких слоев мантии показали, что ядро планеты теряет тепло в полтора раза активнее, чем полагали ранее.
  История нашей планеты - во многом история остывания. Миллиарды лет назад Земля была раскалена от центра до поверхности, которая оставалась расплавленной. Постепенно экстремальные температуры стали сохраняться лишь на глубине, а наружные слои остыли и затвердели. Однако охлаждение продолжается, и тепло всё ещё поднимается из недр, во многом определяя течения магмы, тектонику плит и вулканическую активность.
  Вопросы о том, какими темпами земные недра теряют тепло и когда застынут окончательно, остаются дискуссионными. Чтобы найти ответы,  профессор  Мотохико Мураками из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллеги из Института науки Карнеги разработали сложную измерительную систему. Она позволяет проверить теплопроводность бриджманита в лаборатории при давлении и температуре, которые существуют внутри Земли.
  Между нижней мантией и внешним жидким ядром существует большой перепад температуры, и там должен происходить активный перенос тепла. Потому учёных и заинтересовали теплопроводные свойства основного материала этого слоя - бриджманита. В лабораторных условиях они смоделировали температуры и давление, существующие в недрах планеты, на глубине в сотни километров. Были исследованы свойства минералов, поднятых с большой глубины, из области границы между мантией и внешним ядром планеты. 
  Учёные обнаружили, что по мере остывания бриджманит меняет структуру и начинает передавать тепло ещё эффективнее. В результате планета остывает  быстрее, чем думали ранее. Некогда подобное случилось с Марсом - правда, из-за куда меньших размеров планеты произошло это намного раньше. (9)
Земля остывает? Земля остывает!
Об этом не каждый вряд ли узнает.
Тепло забирая, тепло отдавая,
Планета Земля, как и Марс, умирает. Вулканы, кратеры, пустыни Марса -
Эта планета для жизни опасна!
Марс давно не жилая планета,
Фобос и Деймос - с Марсом при этом.*
(стихи автора)
* Фобос и Деймос - спутники Марса.

"Я предпочел бы стать пеплом, а не прахом. Я хочу, чтобы искра моей жизни сверкнула, подобно молнии, а не задохнулась над кучей гнили. Лучше быть роскошным метеоритом, каждый атом которого излучает великолепное сияние, чем сонной и косной планетой. Человек должен жить, а не существовать. Я не собираюсь тратить свои дни на то, чтобы продлить их. Лучше я потрачу отпущенное мне время на жизнь"
(Джек Лондон)

(1) из Википедии
(2) Граф Лев Алексеевич Перовский (20.09.1792 - 10.11.1856) - один из братьев Перовских, к которому особенно благоволил император Николай I. Министр внутренних дел (1841-1852), министр уделов (1852-1855).
(3) Перси Уильямс Бриджмен (Бриджман) (21.04. 1882 - 20.08. 1961) - американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1946 года за изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления, и за открытия, сделанные в связи с этим в физике высоких давлений.
(4) Учёные о самом распространённом минерале на Земле RG.RU
(5)Science Advances - научный журнал Американской ассоциации содействия развитию науки, основанный в 2015 году.
(6) Лука Бинди (род. 1971) - итальянский геолог. Возглавляет кафедру минералогии и кристаллографии и кафедру наук о Земле Флорентийского университета .Он также является научным сотрудником Istituto di Geoscienze e Georisorse Национального исследовательского совета (Италия) (CNR). Он получил национальные и международные научные награды, в том числе Премию Президента Республики 2015 года  в категории физических, математических и естественных наук. С 2019 года является членом Национальной академии Линчеи.
(7) 24 января, 2023
"Ядро Земли изменило направление вращения. Что это значит для планеты"
rbc.ru/life/
(8)"Наука и жизнь" Кирилл Дегтярёв  "Тепло Земли" m - nkj.ru
(9) "Недра Земли остывают намного быстрее, чем считалось"
naked - science.ru