Непосредственное наблюдение земных недр возможно только до глубин около десятка километров. Таков порядок глубин, достигнутых при бурении самых глубоких исследовательских скважин (максимум – более 12 км, до которого пройдена Кольская сверхглубокая скважина). Достичь большей глубины наблюдений современные технические средства не позволяют.
Тем не менее, прямые данные о вещественном составе возможны для глубин до нескольких десятков километров. Хотя никакие шахты и скважины таких глубин не достигли, но существуют геологические процессы, в результате которых включения и целые блоки глубинного вещества могут оказаться на поверхности Земли и становятся доступны непосредственному наблюдению.
Для исследования ещё больших глубин возможны только косвенные методы:
1. Теоретическое моделирование.
Суть методов заключается в вычислении физических параметров (температур, давлений и т.д.), которые должны существовать на различных глубинах, и расчётах свойств, которые должно иметь вещество при таких условиях.
2. Геофизические методы – изучение физических полей (гравитационного, теплового, магнитного), а также распространения внутри планеты сейсмических волн. Наибольшую роль в реконструкции глубинного строения Земли сыграли сейсмические методы, внедрение которых началось в конце XIX в. С тех пор сейсмические исследования глубинного строения продолжают неуклонно расширяться, а их методика – совершенствоваться. Основа сейсмических методов в том, что при любом землетрясении через всю толщу планеты распространяются сейсмические волны – вызванные сотрясением колебания. Наблюдая над распространением волн по различным направлениям можно судить о свойствах вещества на любых глубинах. В первую очередь – о плотности вещества, от этого параметра в наибольшей мере зависит скорость распространения сейсмических волн. Кроме того, надёжно устанавливается тип агрегатного состояния, в котором находится вещество (твёрдое оно или жидкое). Дело в том, что имеются два типа сейсмических волн, колебания в которых распространяются различным способом: продольные волны (частицы колеблются вдоль направления распространения волны) и поперечные (колебания совершаются в поперечном направлении). И оба типа волн распространяются только через твёрдое вещество. Таким образом, наблюдения над распространением сейсмических волн позволяют выявлять участки, сложенные веществом с разными свойствами, а также поверхности, на которых наблюдаются резкие изменения свойств вещества, явления преломления и отражения сейсмических волн. Особенно много информации получено за последние годы в результате создания густой планетарной сети сейсмических станций, данные с которых мгновенно поступают в мощные быстродействующие компьютеры и, в результате обработки методами компьютерной томографии, представляются в виде очень детальной объёмной картины.
3. Экспериментальное моделирование глубинных процессов. Т.е., создание в лабораторных условиях основных параметров (температур, давлений), существующих на тех или иных глубинах, и изучение реального поведения различных природных веществ при этих условиях. Такое моделирование является технически очень сложным и широкое применение этих методов началось лишь с 50-60-х гг ХХ века. Но уже за это время, благодаря экспериментальному моделированию геологи смогли намного лучше понять суть различных природных процессов, протекающих в недрах Земли на глубинах в сотни километров. К сожалению, воспроизведение в лабораториях условий, существующих на больших глубинах, невозможно: мы не имеем материалов, которые на земной поверхности могли бы выдержать такие температуры и давления.
4. Изучение метеоритного вещества, о чём уже сказано выше. Это позволяет понять общие тенденции эволюции вещества в недрах планетных тел.