Внутреннее строение Земли

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 243↑

15.04.2003 Хронометраж

51:40

Стенограмма эфира

Что представляет собой Земля на больших глубинах? Каков химический состав нашей планеты, из каких элементов преимущественно состоит Земля? Какие процессы происходят в мантии и ядре сегодня? Какова природа геомагнитного поля Земли? О том, что представляет собой Земля в контексте других планет солнечной системы, — доктора геолого-минералогических наук Олег Кусков и Арнольд Кадик.

Участники:

Олег Львович Кусков — доктор геолого-минералогических наук

Арнольд Арнольдович Кадик — доктор геолого-минералогических наук

Обзор темы

Не будучи в состоянии заглянуть на сколько-нибудь вглубь планеты (при радиусе Земли более 6000 км самая глубокая Кольская скважина — 12км), наука пользуется опосредованными сведениями о внутреннем строении Земли. О глубинном строении судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Таким образом, выделяют три главные области: земная кора; мантия (верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км); ядро Земли (внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км).

Ядро Земли. Средний радиус Земли ~ 6371 км. Ядро Земли занимает ее центральную область с радиусом 3480 км; объем ядра составляет 16%, а масса около 32% полной массы. Граница, разделяющая две наиболее мощные геосферы Земли (мантию и ядро), располагается на глубине около 2900 км. На границе раздела между ядром и мантией происходит скачкообразное изменение физических свойств: плотности, скорости продольных волн и др. Полярный радиус ядра меньше экваториального примерно на 10 км, что приводит к различиям в глубине залегания границы ядро-мантия. Сейсмологические наблюдения обнаруживают вблизи этой границы (так называемая граница D′′) некоторый гетерогенный слой протяженностью порядка 100–200 км, с которым связывают подъем разуплотненного мантийного вещества (диапиры), проявляющегося в виде «горячих точек» на поверхности Земли (Гавайи, Исландия). Одна из наиболее интересных особенностей ядра заключается в его строении и агрегатном состоянии. В самом ядре выделяют две зоны: внешнее жидкое ядро на глубинах 2890–5150 км и внутреннее твердое ядро на глубинах 5150–6371 км. Вторая особенность, вытекающая из первой, состоит в том, что в ядре формируется собственное магнитное поле Земли, с которым связаны многие современные достижения геологии и геофизики (палеомагнитные исследования позволили обнаружить крупномасштабные движения континентов в прошлые геологические эпохи и разрастание дна океанов). Открытие земного ядра сыграло исключительную роль в науках о Земле и привело к интенсивному развитию сейсмологии и экспериментальных методов изучения земного вещества при сверхвысоких температурах и давлениях. Как отмечает, например, Г. И. Кузьменко, автор статьи «Глубинные процессы Земли», в последнее время акценты в изучении глубинных процессов Земли смещаются с коры и мантии на земное ядро, причем «на важнейшую роль ядер в энергетике космических тел обращают внимание и астрофизики».

Из статьи Г. И. Кузьменко: «Именно там (в ядре) рождается не меньше тепла, чем в радиоактивных материалах коры. Именно там — для классической теории — больше всего неясных явлений. Следует поэтому внимательней отнестись к предположениям о существенном уточнении температур внутри ядра и возможности там некоторого плазменного состояния».

Открытие ядра. Уже в 1896 г. Е. Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р. Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б. Гутенберг и Х. Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480–3485 км.

Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5,55 до 9,9 г/см³), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13,7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким, поскольку модуль сдвига жидких сред равен нулю.

Существование магнитного поля Земли также указывает на жидкое агрегатное состояние внешнего ядра. В 1936 г. датский геофизик И. Леманн, интерпретируя сейсмологические данные, пришла к выводу о зональном строении ядра и, тем самым, к открытию небольшого внутреннего ядра. Эти исследования приводят к выводу, что внутреннее ядро радиусом около 1220 км и, занимающее менее 1% объема и 2% массы Земли, является твердым. Оказалось также, что скорость распространения продольных волн на 3–4% больше вдоль полярной оси, нежели в экваториальном плане (сейсмическая анизотропия). Вероятное объяснение анизотропии внутреннего ядра может быть связано с пластической деформацией железа (основной компоненты ядра), обнаруженной в экспериментах при давлениях свыше 2 Мбар.

Вопрос о формировании ядра. Механизм и время формирования земного ядра — один из наиболее трудных и наименее проработанных вопросов в сценариях эволюции Земли. Образование ядра можно отнести к событиям катастрофического типа. Энергия, выделяющаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом выделялась гравитационная энергия, дополнительно нагревающая планету на сотни градусов и вследствие этого препятствующая вхождению сильно летучих элементов в состав металла.

В литературе рассматривались различные сценарии такого процесса. По одной из схем жидкие фракции железа или его сплавов, опускаясь в частично расплавленном силикатном материале (магматический океан) и сливаясь, формировали слой расплава, образующегося в тех участках планеты (как правило, в верхней мантии), в которых достигалась температура плавления металла. Вследствие гравитационной неустойчивости жидкого металлического слоя, последний либо целиком проваливался к центру планеты, либо распадался на несколько достаточно крупных капель, которые опускались к центру и образовали протоядро. Другой сценарий предполагает возникновение термических неоднородностей не только в верхней, но и в нижней мантии за счет ударов наиболее массивных крупных тел в период аккреции и приводит к гипотезе частичного проплавления нижней мантии, дифференциация которой сопровождалась выделением ядра на ранней стадии эволюции Земли.

Интерпретация данных по изотопии системы Hf-W позволяет предположить, что формирование ядра происходило очень быстро — за период 50–70 млн лет после начала аккреции. Последующее охлаждение планеты приводило к кристаллизации железа во внешнем ядре и росту внутреннего твердого ядра за время порядка 2 млрд лет.

Мантия. Выше были описаны проблемы стоящие перед наукой связанные с происхождением, составом, эволюцией ядра. Относительно других геосфер у науки не меньше вопросов. Главным направлением исследований А. А. Кадика является изучение планетарной дегазации, связанной с плавлением коры и мантии. Он является одним из создателей теории взаимодействия летучих компонентов с магматическими расплавами.

Вопрос о флюидах (газах) мантии Земли, их влияние на взаимодействие геосфер, вулканизм и дегазация Земли. Флюидная (газовая) фаза Земли, представленная летучими компонентами O₂, Н₂О, СО₂, Н₂, СН₄, N₂, соединениями S, Cl, F, благородными газами, является наиболее подвижной составляющей планетарного вещества наряду с расплавами (магмами) и металлической фазой. Ее перераспределение в геологическом времени в теле Земли под воздействием гравитационных и тектонических сил, плавления и формирования металлического ядра привели к образованию атмосферы, гидросферы. Компоненты глубинных флюидов играли решающую роль в создании условий для возникновения жизни на границе твердой Земли с возникающей атмосферой и гидросферой Флюиды способны растворять многие химические элементы Земли. Они ответственны за извлечение и перенос петрогенных элементов, метасоматическое преобразование коры и мантии. Установлено существенное влияние флюидов, прежде всего воды, на механические свойства пород, которое может играть определяющую роль в перемещении блоков литосферы, геодинамике глубинного вещества мантии и горообразовании.

Флюидная динамика в недрах планеты имеет сложную природу. Это: 1) миграция газов в межкристаллическом пространстве твердой Земли и их перемещение в теле планеты при конвекции; 2) растворение в расплавах мантии и перенос вместе с магмами к поверхности Земли; 3) растворение в металлической фазе при формировании ядра Земли с последующим высвобождением на границе ядро — мантия; 4) циклы летучих компонентов, связанные с погружением литосферных плит в мантию; 5) наиболее глобальное перемещение летучих компонентов связано с формированием горячих струй, осуществляющих вынос глубинного вещества к поверхности Земли, на границе мантии с ядром.

Таким образом, состав флюидов и их распределение в пространстве и времени находятся в сложной зависимости от химического состава глубинных слоев Земли и особенностей геодинамических сред. Многие стороны этих зависимостей остаются непознанными. Выяснение их природы является актуальным для выяснения вклада газовой и флюидной фазы в формирование и взаимодействие геоcфер Земли, ее литосферных и астеносферных слоев. Как свидетельствуют эксперименты, флюиды могут оказывать существенное влияние на геофизические свойства вещества Земли. Выяснение этого влияния необходимо при интрепретации природы геофизического строения литосферных и астеносферных слоев верхней мантии.

Направления исследований. Эволюция состава флюидов мантии в геологическом времени. Геохимические и геофизические теории предполагают эволюцию состава флюидов мантии в геологическом времени, определяемую изменением баланса кислорода в недрах планеты при ее дифференциации. Эти изменения связывают с повышением летучести кислорода в верхних слоях мантии, с уменьшением доли СН₄, Н₂, СО и значительным увеличением доли Н₂О, СО₂ в литосферных и астеносферных слоях современной верхней мантии. Одной из предполагаемых причин этого явления может быть изменение геодинамики планетарного вещества, начало тектоники плит и активного формирования астеносферных диапиров. В целом многие стороны эволюции остаются неясными и спорными.

Перераспределение кислорода в недрах планеты. Химическая дифференциация Земли тесным образом связана с перераспределением кислорода в недрах планеты. Этот процесс находит свое прямое отражение в стратификации окислительно-восстановительного состояния глубинного вещества (летучести кислорода). Он является определяющим в формировании «восстановленных» и «окисленных» флюидов в истории Земли, в изменении состава вулканических газов в геологическом времени, в обогащенности литосферных и астеносферных слоев Н₂О и СО₂. С изменением баланса кислорода в недрах планеты связаны и другие геохимические процессы (фракционирование сидерофильных элементов, плавление, изменение растворяющей способности флюидов в отношении химических элементов мантии и их концентрирование в виде рудных месторождений). Познание механизмов, которые определяют потенциал кислорода в недрах планеты, является одной из новых областей фундаментальных исследований в геологии.

Плавление мантии и дегазация Земли. Металлическая фаза, продукты плавления (магмы), флюиды (газы) планетарного вещества играют исключительную роль в химической дифференциации Земли, формировании оболочек ввиду их исключительной подвижности в гравитационном поле Земли, при этом движение (подъем) магм и газовых компонентов тесно связаны друг с другом. Это прежде всего определяется тем летучие компоненты Земли обладают способностью к высокой растворимости в магмах при высоких давлениях. В такой растворенной форме они выносятся к поверхности Земли и высвобождаются в виде вулканических газов во время извержений. В понимании этих явлений ключевую роль сыграли эксперименты при высоких давлениях, которые соответствуют давлениям в мантии Земли.

Летучие и геодинамика планетарного вещества. Связь поведения летучих компонентов Земли (флюидов) с геодинамикой глубинного вещества: конвективными течениями в мантии, формированием горячих мантийных струй, погружением литосферных слоев в мантию.

Декомпрессионное плавление мантии как неизбежное следствие течения планетарного и летучие Земли. Декомпрессионное плавление мантии при восходящем течении ее вещества, роль летучих компонентов в его возникновении и реализации. Один из главных компонентов флюидов — вода — является тем компонентом мантии, который приводит к существенному понижению температур плавления пород. Отсюда вытекает исключительная роль воды в плавлении Земли, в ее дегазации при вулканической активности на поверхности планеты.

Магнитное поле Земли. По сей день загадкой для ученых остается происхождение магнитного поля, хотя существует много гипотез для объяснения этого феномена. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли. Проблема происхождения магнитного поля Земли до настоящего времени не может считаться окончательно решенной, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев — больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра — во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли. Для «запуска» подобного процесса необходимо начальное, хотя бы очень слабое, магнитное поле, которое может генерироваться гиромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.

Из статьи Н. В. Короновского «Магнитное поле геологического прошлого Земли»:

Не вдаваясь в довольно сложные характеристики видов намагниченности горных пород и факторов, ее определяющих, подчеркнем ведущую для палеомагнитологии (науки, изучающей геомагнитное поле прошлых геологических эпох — прим. редактора) роль естественной остаточной намагниченности. Этот вид намагниченности, будучи однажды приобретенным породой, при благоприятных условиях сохраняется длительное время.

<...> Проводя замеры следов геомагнитного поля геологического прошлого в массовом порядке в горных породах различного возраста и на разных континентах, а также при бурении глубоководных скважин в океанах, мы получаем возможность выявить эволюцию геомагнитного поля Земли, как бы восстановить его историю.

<...> Иверсии магнитного поля — это смена знака осесимметричного диполя. В 1906 году Б. Брюн, измеряя магнитные свойства неогеновых, сравнительно молодых лав в центральной Франции, обнаружил, что их намагниченность противоположна по направлению современному геомагнитному полю, то есть Северный и Южный магнитные полюса как бы поменялись местами. Наличие обратно намагниченных горных пород является следствием не каких-то необычных условий в момент ее образования, а результатом инверсии магнитного поля Земли в данный момент. Обращение полярности геомагнитного поля — важнейшее открытие в палеомагнитологии, позволившее создать новую науку магнитостратиграфию, изучающую расчленение отложений горных пород на основе их прямой или обращенной намагниченности. И главное здесь заключается в доказательстве синхронности этих обращений знака в пределах всего земного шара. В таком случае в руках геологов оказывается весьма действенный метод корреляции отложений и событий. Обращение знака геомагнитного поля, как уже говорилось, не могло быть объяснено в рамках теории однодискового динамо. В 60-х годах 20 века известный японский геофизик Т. Рикитаки предположил, что каждую конвективную ячейку или вихрь в жидком внешнем ядре можно считать как бы одним диском динамо. Модель простейшего двухдискового динамо показала, что ток от диска 1 перетекает в диск 2, генерируя магнитное поле — ток от которого, в свою очередь, усиливает магнитное поле около диска 1. Токовая, а следовательно, и магнитная переменная колеблются сначала около некоторого стационарного состояния, а затем, увеличивая амплитуду, внезапно начинают испытывать колебания уже вокруг другого стационарного состояния (по Т. Рикитаки, 1968). Таким образом, моделируется возможность инверсий магнитного поля. В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет.

Температура Земли на больших глубинах. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами. Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 10 С — геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20–50°, а геотермической ступени — 15–45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 °С на 1 км. По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 °C на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 °С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200–1250 °C. Учитывая этот своеобразный «термометр», ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300–1500 °C. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20–30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Вопрос о распределении температур в нижней мантии и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Предполагают, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени (предположительная температура в ядре Земли находится в пределах 4000–5000 °C).

Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть ее отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного Землей солнечного тепла неодинаково для различных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20–30 м.

Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Тепловой поток измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду — мккал/см²/с. По многочисленным данным, средняя величина теплового потока принимается равной 1,4–1,5 мккал/см²/с. Однако исследования, проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах. Разнообразие величин теплового потока, по мнению ученых, связано с неоднородными тектономагматическими процессами в различных зонах Земли.

Каковы же источники тепла внутри Земли? В соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции газово-пылевых частиц протопланетного облака в виде холодного тела. Следовательно, внутри Земли должны иметься источники тепла, создающие современный тепловой поток и высокую температуру в недрах Земли. Одним из источников внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb. Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как ²⁶Al, ³⁸Cl и др. Вторым источником тепловой энергии предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне ядра и, возможно, в слое верхней мантии. Но значительная часть тепла, связанная с гравитационной дифференциацией, по-видимому, рассеивалась в пространстве, особенно в начале формирования планеты. Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем. Тем не менее, перечисленными причинами может объясняться возникновение только части тепла, которое выделяется на границе мантия-ядро, и вопрос об источниках тепла внутри Земли на сегодняшний день остается открытым и одним из самых интересных.

Химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды (впрочем, это лишь предположение, что мантия и кора содержат вещество, состав которого в среднем близок к составу метеоритов). К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90–91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты — около 92,7% всех находок, железокаменные — 1,3% и железные — 5,6%. На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, согласно которой, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам: О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, Al. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, Al, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Химический состав ядра. В середине XX в. проблема химического состава ядра Земли оказалась в центре дискуссии таких дисциплин как космогония, геохимия и геофизика.

В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Однако в последующих экспериментах по ударному сжатию было показано, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, нежели плотность ядра. Впоследствии, гипотеза водородного ядра претерпела определенную трансформацию и сейчас находит свое отражение в моделях гидридного ядра, согласно которым распад гидридов служит поставщиком летучих и энергии, идущей на разогрев Земли.

Кардинальные противоречия возникли между двумя классами гипотез: железо-никелевого (с примесями других легких элементов) ядра и не железного ядра, состоящего из металлизованных силикатов или оксидов, т. е. из вещества горных пород, перешедших в металлическое состояние под действием сверхвысокого давления.

В. Н. Лодочников и У. Рамзей предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1,36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро). С космогонической точки зрения основное преимущество этой гипотезы состояло в том, что она не встречает трудностей при объяснении происхождения плотных ядер Земли и Венеры: ядро образуется, когда давление в центре растущей планеты достигает критического значения. Кроме того, эта гипотеза устраняла бы различие между Землей и Луной в содержании железа.

В последующем более строгая проверка гипотез о химическом составе ядра осуществлялась посредством сопоставления лабораторных измерений плотности и упругости различных веществ при высоких температурах и давлениях с геофизическими данными по изменению этих параметров в недрах Земли. Эксперименты по статическому и ударному сжатию железа и его сплавов с никелем (основной компоненты железных метеоритов) и другими элементами, а также породообразующих минералов (оливина, пироксена и др.) позволили сделать более определенные выводы о составе ядра.

Сейчас хорошо известно, что практически все известные в природе минералы претерпевают полиморфные превращения при высоких давлениях и температурах. На глубинах переходной зоны (400–650 км) и нижней мантии (650–2900 км) оливин преобразуется в минерал со структурой шпинели, пироксен и гранат — в минералы со структурой ильменита и перовскита. Кварц имеет серию фазовых превращений с образованием плотной рутиловой структуры — стишовита при давлениях порядка 100 кбар и 1000 °C, обнаруженного в ударных кратерах и некоторых метеоритах. Стишовит не является конечным звеном в цепи полиморфных превращений; теоретическими и экспериментальными методами предполагается существование еще более плотных модификаций SiO₂. Но даже в плотных пост-стишовитовых структурах не достигается плотность, характерная для зоны внешнего ядра. Кроме того, нельзя забывать, что для подтверждения гипотезы о металлизованном силикатном ядре любой минерал, образующийся в финале фазовых преобразований, помимо плотности, сопоставимой с плотностью ядра, должен иметь соответствующую скорость звука и обладать металлической проводимостью. Реальных доказательств этого не обнаружено.

Таким образом, совокупность лабораторных экспериментов и сейсмических данных показывает несостоятельность концепции металлизованного ядра Земли и приводит к выводу, что границу мантия-ядро следует рассматривать не как фазовый переход, а с точки зрения изменения химического состава, т. е. как границу раздела между силикатной мантией и железным ядром — граница D′′.

Мантия и ядро не находятся в термодинамическом равновесии и вследствие этого силикатное вещество мантии растворяется в расплавленном материале Fe-ядра. В результате такого химического взаимодействия на границе D′′ может происходить дифференциация вещества с образованием железо-никелевого расплава, содержащего серу, кислород и кремний и формирующего внешнее ядро Земли. Как вытекает из анализа данных сейсмической томографии, процессы подобного типа приводят к термическим и композиционным неоднородностям в подошве нижней мантии мощностью около сотни километров, ответственным за крупномасштабные тектонические движения в мантии Земли (подъем диапиров и формирование вулканических «горячих точек»).

Железо имеет несколько полиморфных превращений. При низких давлениях устойчива модификация a-Fe, которая при P > 100 кбар преобразуется в плотноупакованную фазу (e-Fe), устойчивую при высоких температурах вплоть до 3 Мбар. Предполагается, что как внешнее, так и внутреннее ядро сложены в основном e-фазой железа, но в разных агрегатных состояниях. Физические свойства железа (плотность, температура плавления) при Р-Т параметрах ядра моделировались экспериментальными и теоретическими методами. Довольно надежно установлено, что на границе ядро-мантия (1,36 Мбар) Т_пл (e-Fe) = 3000–3500 К.

На границе внешнее-внутреннее ядро (3,3 Мбар) Т_пл (e-Fe) = 4900–6000 К; при этих Р-Т параметрах плотность жидкого железа ~12,8 г/см³, что на 5–6% превосходит плотность внешнего ядра (r = 12,14 г/см³) по сейсмологическим моделям. Плотность твердой e-фазы железа при 3,3 Мбар и 5400 К оценена равной 13,0 г/см³, что на 2–3% больше, нежели плотность внутреннего ядра на его границе с внешним, табл. 1.

Следовательно, эксперименты и теория показывают, что плотность чистого железа и тем более никелистого железа превышает плотность вещества как внешнего, так и внутреннего ядра Земли. Эти исследования подтвердили гипотезу о несостоятельности чисто железного или железо-никелевого ядра: Fe-Ni ядро имеет слишком высокую плотность и слишком низкую скорость звука и поэтому не удовлетворяет геофизическим данным. Отсюда с необходимостью вытекает предположение о вхождении более легкого элемента (элементов) в состав ядра: в количестве до ~10 мас.% для внешнего и ~2–5 мас.% для внутреннего ядра. На роль таких легирующих компонентов, имеющих достаточно высокую распространенность в природе, теоретически могут претендовать кислород, водород, углерод, сера и кремний. Однако, водород и углерод (летучие элементы) могли быть потеряны в период аккреции.

В космохимическом и геофизическом отношении наиболее предпочтительными легирующими компонентами ядра считаются сера, кремний и кислород. Из космохимии и метеоритики известно об образовании сплавов в системах Fe-S, Fe-Si и Fe-S-Si уже на ранней стадии конденсации вещества протопланетного облака и об их существовании в хондритах разных классов. Новейшие исследования показали, что растворимость FeO в жидком железе, ограниченная первыми процентами при низких давлениях, становится весьма существенной при сверхвысоких давлениях.

Космохимические данные и анализ межпланетной пыли свидетельствуют, что сера, конденсирующаяся из газа солнечного состава в виде сульфида железа (троилит или пирротин — наиболее распространенные минералы метеоритов), представляет собой один из основных элементов-примесей, входящих в состав металлической фазы хондритов и планетарных ядер.

Эти соображения по вхождению серы в ядро (хондриты содержат около 6 мас.% FeS) получили поддержку в работах по исследованию системы Fe-FeS при высоких Р-Т параметрах в статических и динамических условиях. Современное состояние проблемы химического состава ядра Земли не позволяет отдать предпочтение какому-либо одному из перечисленных элементов-примесей. Содержание порядка 6–10 мас.% серы, кислорода и кремния во внешнем ядре не противоречит геофизическим данным. Не исключено, что все три элемента могут входить в состав внешнего ядра, но эта проблема еще недостаточно изучена.

Библиография

Ботт Н. Внутреннее строение Земли. М., 1974

Буллен К. Е. Плотность Земли. М., 1978

Жарков В. Н. Внутренне строение Земли и планет. М., 1983

Кадик А. А., Френкель М. Я. Декомпрессия пород коры и верхней мантии как механизм магмообразования. М., 1982

Кадик А. А., Луканин О. А. Дегазация верхней мантии в процессе плавления. М., 1986

Кадик А. А. Влияние окислительно-восстановительного состояния планетарного вещества на формирование углерод-насыщенных флюидов в верхней мантии//Вестник ОГГН РАН. 1999. № 4

Кузьменко Г. И. Глубинные процессы Земли//Геофизический журнал. Т. 22. 2000

Ларин В. Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М., 1980

Кусков О. Л., Хитаров Н. И. Термодинамика и геохимия ядра и мантии Земли. М., 1982

Магницкий В. А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965

Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли. М, 1968

Рингвуд А. Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981

Kuskov O., Kronrod V. Co-sizes of the Earth’s and Jupiter’s satellites//Icarus. 2001. V. 151

Тема № 243

Эфир 15.04.2003

Хронометраж 51:40

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz