В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 30
Текст из файла (страница 30)
В структурекорунда ионы кислорода образуют приблизительно плотнейшую гексагональную упаковку. Ионыалюминия располагаются в октаэдрических позициях между кислородными слоями. Структураильменита получается из структуры корунда при замене атомов алюминия между двумя слоямикислорода на атомы железа и атомов алюминия, расположенных между следующими слоямикислорода, на атомы титана и т.д.Перовскит — СаТiO3 .
В структуре перовскита четырехвалентный ион Ti расположен в центрекуба, в вершинах которого расположены двухвалентные ионы Са, а центры граней заняты двухвалентными ионами кислорода. В этой структуре ионы Са и О вместе образуют плотнейшуюкубическую упаковку.1320 5 1030025I+PПеровскиттв. р-р250 G + ΙAl2O3, вес. %100∼1000°СИльмениттв. р-рГранаттв. р-р100 Гранаттв. р-р+Opxтв.
р-р50Корунд150ПиролДавление, кбар20050Пирол+Ильмениттв. р-рOpxтв. р-р En + Sp + Sill00.5MgSiO3Молярная доляAl2O3Рис. 32. Изотермическое сечение (T ∼ 1000∘C) фазовой диаграммы MgSiO3 – Al2 O3Обозначения: Opx — ортопироксен, En — энстатит, Sill — силлиманит, G — гранат, I — ильменит,Р — перовскит, Sp — шпинель (автор Лин-гун Лиу)Изотермическое сечение при ∼ 1000∘ C фазовой диаграммы MgSiO3 – Аl2 O3показано на рис.
32, а участок диаграммы MgSiO3 — 90% MgSiO3 ⋅ 10% Аl2 O3в укрупненном виде в области рис. 33. Эксперименты обнаружили удивительное различие в поведении под давлением между MgSiO3 и составами MgSiO3 ⋅(5–10)% Аl2 O3 . Оказалось, что добавка к MgSiO3 небольшой примеси Аl2 O3(≳ 4 вес. %) существенно меняет цепочку фазовых переходов под давлением.Система MgSiO3 ⋅ (5–10)% Аl2 O3 в интервале давлений от нескольких десятковкилобар до ∼ 180 кбар обнаруживает широкую двухфазную область, в которойсосуществуют ортопироксены и гранаты; далее расположена зона граната, которая при давлениях ∼ 220 кбар сменяется переходной двухфазной областьюграната и ильменита; затем при p ≳ 230 кбар на диаграмме расположено полеустойчивости ильменита, которое отделено узкой двухфазной зоной ильменит –перовскит при давлениях ∼ 260–270 кбар от зоны неровскита. Из рис. 32 такжеследует, что небольшая добавка (≳ 5%) Аl2 O3 к MgSiO3 сильно упрощает фазовые равновесия при высоких давлениях, исключая минеральные ансамбли,содержащие стишовит.133Перовскиттв.
р-рI+PДавление, кбар250Ильмениттв. р-рG+ISp + St + G200150Гранаттв. р-рβ + St + Gβ +StCpx+G+CpxOpx+CpxCpxOpxтв. р-ртв. р-рMgSiO3Opx + G5вес. %10Al2O3Рис. 33. Изотермическое сечение (T ∼ 1000∘C) участка фазовой диаграммы MgSiO3 —90% MgSiO3 ⋅ 10% Al2 O3 в укрупненном виде в области давлений 150–290 кбар.β и Sp — β - и γ -фазы оливина, St — стишовит. Cpx — клинопироксен (автор Лин-гун Лиу)Приведем также данные об относительном уменьшении объема при фазовыхпереходах, отнесенные к нормальным условиям. Для состава 90% MgSiO3 ⋅ 10%Аl2 O3 переход ортопироксен – гранат сопровождается изменением объема на−7.8%; для перехода гранат – ильменит и ильменит – перовскит для изменения объема соответственно получаем −8.0% и −6.9%.
При использованииданных, показанных на рис. 32 и 33, для выяснения структуры верхней мантииследует учитывать, что изотермические сечения, показанные на этих рисунках,относятся к ∼ 1000∘ C, а температуры в зоне фазовых переходов на глубинах∼ 400–800 км — порядка 1500–1900∘ C. Производные d p/dT дающие закон, покоторому смещаются фазовые границы, неизвестны.
Для оценок можно считатьd p/dT ∼ (20–50) бар/∘ C, причем значение ∼ 20 бар/∘ C, видимо, ближе к действительности.Изложенные в этом параграфе результаты позволяют рассмотреть вопрос оминералогическом составе мантии Земли (см. §7.4).1346.3.Динамические исследованияПрогресс, который произошел в динамической физике высоких давлений после второй мировой войны, в основном обусловлен двумя обстоятельствами.Во-первых, наметились достижения в технологии приготовления больших зарядов взрывчатых веществ. В результате в настоящее время экспериментаторырасполагают блоками взрывчатых веществ различной геометрии и размерамив несколько десятков сантиметров, причем сами размеры выдерживаются с точностью до нескольких микрон.
Во-вторых, были разработаны достаточно точныеэкспериментальные методы (электрические и оптические) регистрации быстропротекающих процессов, характерные времена которых составляют примерно0.1–1 мкс (1 мкс = 10−6 с).Ударные волны, генерируемые сильными взрывами, при прохождении черезтвердые тела создают в них давление, достигающее нескольких миллионов бар.Это существенно расширило диапазон давлений для экспериментального исследования свойств твердых тел.
Важнейшим результатом этих работ явилосьопределение уравнений состояния многих металлов, ионных кристаллов, рядажидкостей и горных пород до давлений в несколько миллионов бар. Уравнениесостояния вещества, определяющее зависимость давления от объема и температуры, т.е. функция p = p(V, T ), является основным соотношением в областивысоких давлений.
По существу, оно определяет закон, по которому данноевещество сжимается. Важность в этом вопросе экспериментального подходаопределяется тем, что для твердых тел получить эту зависимость теоретически в настоящее время не представляется возможным. Большой интерес этиисследования представляют для геофизики. Дело в том, что давление в центренашей планеты примерно 3.5 ⋅ 106 бар и еще совсем недавно казалось совершенно недостижимым в лаборатории. Теперь же имеется возможность проводитьколичественные исследования в этой области давлений и тем самым проверятьфундаментальные геофизические гипотезы о строении, составе и состояниинаименее изведанной области нашей планеты — ее ядра.Так динамические исследования дали возможность установить уравнениесостояния p = p(V, T ) для железа. Это позволило уже в 1960 г.
произвестисравнение закона, по которому сжимается железо, с законом, по которому сжимается вещество земного ядра. Оказалось, что свойства вещества земного ядрас точность до 5–10% соответствуют свойствам железа, определенным по динамическим данным. Это привело к тому, что гипотеза железного ядра Земли внастоящее время общепринята. До этого была довольно широко распространенагипотеза ядра из металлизированных силикатов. Она была выдвинута В.Н. Лодочниковым в 1939 г. и после войны получила развитие в работах Рамзея (ги135потеза Лодочникова – Рамзея). Суть гипотезы заключается в следующем. Известно, и мы об этом упоминали несколько раз, что с ростом давления почтивсе вещества испытывают фазовые переходы со скачкообразным возрастаниемплотности.
На основе этой общей идеи была высказана гипотеза, что границамантии с ядром на глубине 2900 км является не химической границей, как этоимеет место в гипотезе железного ядра, а фазовой, т.е. силикаты нижней мантии на границе с ядром испытывают фазовый переход с примерно двукратнымувеличением плотности. Кроме того, теория гидромагнитного динамо, о которой мы говорили выше, требует, чтобы вещество ядра обладало металлическойпроводимостью.
Поэтому Рамзей предположил, что при фазовом переходе силикаты еще и металлизируются, т. е. переходят в металлическое состояние. Таквозникла гипотеза ядра из металлизированных силикатов. В сороковых и начале пятидесятых годов гипотеза металлизированных силикатов представляласьсовершенно неуязвимой в смысле ее экспериментальной проверки. Однако времена безоблачного существования гипотезы Лодочникова – Рамзея закончилиськ началу шестидесятых годов.Гипотеза подверглась проверке в экспериментах, выполненных в СССРЛ.В. Альтшулером с сотрудниками. В этих опытах ударные давления достигали 5 ⋅ 106 бар, что заметно превышает давление на границе мантия – ядро,равное 1.35 ⋅ 106 бар, и, несмотря на это, ни одна из испытанных горных породне обнаружила перехода Лодочникова – Рамзея.
Несмотря па то, что в ударныхволнах эксперимент длится доли микросекунд, есть все основания считать, чтоискомый переход был бы обнаружен, если бы он соответствовал действительности. Проверка гипотезы ядра из металлизированных силикатов явилась однойиз ярких демонстраций мощи физических методов в геофизике. Использование динамических методов позволило изучить свойства важнейших минералови горных пород при давлениях и температурах, характерных для слоя D (нижняямантия). Эти исследования позволили приступить к определению детального состава слоя D. Вопрос этот оказался сложным. Дело в том, что в диапазоне давлений 100–300 кбар все силикаты испытывают фазовые переходы.
Эти фазовыепереходы происходят и в ударных волнах и, по-видимому, заметно понижаютточность данных о свойствах фазы высокого давления. В настоящее время динамические исследования геофизических материалов при высоких давленияхявляются одним из важнейших направлений геофизического поиска.Глава 7МОДЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ«.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
