В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 77
Текст из файла (страница 77)
По современным представлениям (см. §11.2,табл. 30) недра Луны обогащены Al2 O3 по сравнению с недрами Земли.Поэтому при интерпретации данных рис. 103 мы будем использовать верхнюю штрихпунктирную кривую рис. 104, которая соответствует пироксенам,содержащим 6.8 вес. % Al2 O3 .С помощью этой кривой σ = σ (T ) и заштрихованной полосы электропроводности на рис. 103 получается полоса распределения температур в недрах Луны(рис. 105).
На рис. 105 для сравнения показаны также три распределения температуры (кривые 1–3), полученные расчетным путем. Селенотерма 1 рассчитанаШубертом с сотрудниками (1977 г.) в предположении, что конвективный теплоперенос преобладал на глубинах > 300 км на протяжении всей лунной истории.349Температура, °С1500Солидус231100050005001000Глубина, км1500Рис. 105. Полоса распределения температур в недрах Луны по данным об электропроводности и лабораторной зависимости σ = σ (T ), показанной верхней штрихпунктирной кривой на рис. 104 (для пироксенов с содержанием Al2 O3 6.8 вес.
%)Приведены три типа современных селенотерм (кривые 1–3), полученных на основе расчетовтепловой истории Луны для разных моделей. Прерывистой линией дана кривая солидуса (затвердевания) для безводного базальта. Температуры в твердых зонах Луны должны быть ниже этойкривойСеленотерма 2 рассчитана Токсоцем и Соломоном (1973 г.) в предположении,что на протяжении лунной истории преобладал механизм кондуктивного теплопереноса. Наконец, селенотерма 3 рассчитана Токсоцем с сотр. (1978 г.), которыедопускали на протяжении лунной истории конвективный теплоперенос в твердой поликристаллической мантии Луны.
Согласно последним авторам, конвекция в недрах Луны в настоящее время очень слабая и ограничена глубинами,большими ∼ 700–800 км.Если привлечь к интерпретации данных, представленных на рис. 105, оценкизначений Qμ для верхней и средней мантии Луны (см. §11.1), то температурныераспределения 1 и 2 следует исключить как нереальные. В них температурыслишком близко подходят к кривой плавления безводного базальта (кривой солидуса), что противоречит значениям Qμ > 1500. Сближение полосы температур и селенотермы 3 с кривой солидуса сухих базальтов для глубин, бо́льших1000 км, качественно согласуется с данными сейсмологии о резком уменьшениимеханической добротности при l > 1100 км и падении скоростей S-волн.В заключение можно сказать, что, хотя полоса температур, показанная нарис.
105 (информативная в интервале глубин 450–1350 км), и хорошо с нейсогласующаяся селенотерма 3 получены при некотором не поддающемся оценкам произволе, они дают рабочие оценки температур лунных недр, улучшениекоторых — дело будущих исследований.35011.6.Тепловой потокТепловой поток из недр планеты определяется по формуле (47).
На Луневыполнено два измерения теплового потока (А-15 и А-17). В обоих случаяхбурилась скважина на глубину ∼ 230 см, в которую вводился тепловой зонд.Стационарные температуры в Луне (не возмущаемые колебаниями температуры на дневной поверхности) устанавливаются на глубине ∼ 70 см и равны∼ 253 K. Начиная с этой глубины, температурный градиент, отражающий стационарный тепловой поток из недр к поверхности, составил ∼ 1.3–1.7 град/м.Верхние 2 см реголита при температуре 220 K характеризуются очень низкойтеплопроводностью, ∼ 3.5 ⋅ 10−6 кал/(см ⋅ град ⋅ с).
С ростом глубины теплопроводность быстро нарастает. На глубинах от 50 до 230 см были полученызначения от 5.3 ⋅ 10−5 до 1.23 ⋅ 10−4 кал/(см ⋅ град ⋅ с). Рост теплопроводностиявляется следствием уплотнения лунного грунта с глубиной. Места измерениятеплового потока были в пограничном районе между морской и континентальной областями (А-15) и в континентальной области (А-17). Вначале Лэнгсетс сотрудниками получили для теплового потока в обоих районах примерно одинаковые значения, равные 0.70 ⋅ 10−6 кал/(см2 ⋅ с). Однако дополнительный анализ привел авторов к заключению, что первые опубликованные ими результатысодержали систематическую ошибку.
После пересмотра данных оказалось, чтотепловой поток в месте посадки А-15 равен 0.53 ⋅ 10−6 кал/(см2 ⋅ с), а для районапосадки А-17 0.38 ⋅ 10−6 кал/(см2 ⋅ с). Получается так, что разные геологические структуры на Луне, так же как и на Земле, характеризуются различнымитепловыми потоками. Это означает, что при исследовании Луны может бытьиспользован метод структурной селенотермии.По этим двум измерениям получается, что тепловой поток из недр Луны примерно в три-четыре раза меньше земного теплового потока. Естественно, этотвывод носит предварительный характер, так как двух измерений, да еще которыедают значения, отличающиеся в 1.5 раза, явно недостаточно, чтобы охарактеризовать важнейшую энергетическую величину планеты — средний тепловойпоток из ее недр.
Это становится особенно понятным, если вспомнить, чтотолщина коры на обратной стороне Луны, для которой отсутствуют данные отепловом потоке, почти в два раза больше, чем на видимой стороне, а при глобальной дифференциации радиоактивные примеси сосредоточиваются в коре.Поясним теперь простой оценкой, почему тепловой поток из недр Луны следует считать большим.
Предположим, что тепловое состояние Луны и Землипримерно стационарно, т.е. количество тепла, вытекающее через поверхностьобоих тел, равно количеству тепла, выделяемого в их недрах. Для Луны такое предположение близко к действительности, а для Земли, как это следует351из рис. 65, тепловыделение составляет примерно 2/3 от величины тепловогопотока.
При стационарном тепловом состоянии обоих тел тепловой поток пропорционален объему и обратно пропорционален поверхности тела:RЛqЛ (VЛ /SЛ ) VЛ SЗ∼=⋅=.qЗ(VЗ /SЗ )VЗ SЛRЗСледовательно, отношение тепловых потоков в предположении одинаковойконцентрации источников и стационарности, грубо говоря, равно отношениюрадиусов RЛ = 1738 км и RЗ = 6371 км.
Это отношение получается равным 1/4,а лунный поток qЛ ∼ (1/3–1/4)qЗ . Однако в стационарной Земле тепловой потоксоставлял бы 2/3 от наблюдаемого среднего теплового потока. Соответственнолунный поток будет меньше стационарного земного всего в 1/2–3/8 раз. Объяснение этому известно — концентрация радиоактивных элементов в Луне заметнобольше, чем в Земле (см. табл. 30).Данные о тепловом потоке позволяют сделать еще два важных вывода.
Мыуже отмечали, что наружные слои Луны сравнительно холодные и прочные (непластичные), так как в течение ∼ 3.5 ⋅ 109 лет они выдерживают напряженияот лунных масконов. Это возможно лишь в том случае, если недра Луны претерпели глубокую дифференциацию с выплавлением лунной коры и выносомв нее почти всех радиоактивных источников на раннем этапе лунной истории.Тепло от радиоактивных источников, сконцентрированных в коре, отводитсячерез поверхность Луны и почти не идет на нагревание ее недр.Второй вопрос, на который помогают ответить данные о лунном тепловомпотоке, это проблема источников энергии, из которой формируется тепловойпоток. В случае Луны не существует никаких источников, кроме радиоактивности, которые могли бы давать существенный вклад в формирование тепловогопотока.
Сделать такой же однозначный вывод в отношении Земли значительно труднее. Хотя радиоактивных источников тепла в Земле достаточно, чтобыобъяснить ее тепловой поток, тем не менее последние 10 лет все настойчивеевыдвигается гипотеза о важной роли энергии, выделяемой в Земле из-за всееще протекающих в ней процессов гравитационной дифференциации. Данныео лунном тепловом потоке можно рассматривать как косвенное указание на то,что и в Земле тепловой ноток формируется за счет радиоактивности.В заключение отметим, что селенотерме 3 на рис.
105, которая хорошо согласуется с полосой температур, восстановленной по электропроводности, соответствует значение qЛ ∼ 0.41 кал/(см2 ⋅ с).35211.7.Лунная хронологияНа Луне нет и, видимо, никогда не было плотной атмосферы и гидросферы.В результате поверхность Луны запечатлела и сохранила следы начальной истории Солнечной системы. В связи с этим исследование Луны имеет исключительно большое значение для проблемы происхождения и эволюции Земли и планет.В этом смысле Луна для проблемы происхождения представляет больший интерес, чем, скажем, Земля, Венера и Марс — планеты, на которых процессы эрозиистерли следы ранней истории.Методом радиоактивного датирования лунных образцов, доставленных наЗемлю, установлено, что возраст Луны равен возрасту Земли и метеоритов(∼ 4.570 ⋅ 109 лет).
Видимо, Луна с самого начала была горячей. Ее формирование происходило из рыхлых горячих планетезималей, что сопровождалось образованием «Океана магмы», глобальной кристаллизационной дифференциацией,осаждением маленького расплавленного ядра (вероятно, из Fe–FeS), в которомпо механизму гидромагнитного динамо генерировалось собственное селеномагнитное поле. Кристаллизационная дифференциация Луны на завершающейстадии ее роста привела к созданию асимметричной габбро-анортозитовой коры и дифференцированной верхней, а возможно и средней мантии. Асимметриякоры указывает на то, что уже на завершающей стадии роста Луна находилась в состоянии синхронного вращения, т.е.
была повернута к Земле полушарием с тонкой корой. По геологическим и космическим масштабам временивыплавление ранней лунной коры произошло очень быстро и датируется возрастом 4.460 ⋅ 109 лет, определенным урано-свинцовыми методами. Первый период в жизни Луны продолжался ∼ 1.1 ⋅ 108 лет. Это был период формированиямакроструктуры лунных недр.Следующий период в развитии Луны длился дольше. Его завершение связывается с началом образования круговых морей, выбросы из которых практически завершили формирование макроструктуры материков.
Окончание периодадатируется временем ударного образования Моря Дождей ∼ 3.860 ⋅ 109 лет назад. В этот период в Луне протекали разнообразные процессы, которые привели к стабилизации Луны как планетного тела. В начале периода завершиласькристаллизация верхней мантии — зон-источников морских базальтов. Возрастэтого события установлен Rb-Sr и Sm-Nd-методами и равен 4.400 ⋅ 109 лет илибольше. Это был период активной вулканической деятельности, интенсивнойбомбардировки лунной поверхности метеоритами, в результате чего возниклилунные брекчии и происходил ударный метаморфизм древних пород. Активнуюроль в завершающей фазе формирования коры и облика нашего спутника играликак эндогенные (внутренние), так и экзогенные (внешние) процессы.353Так как при фракционной кристаллизации «Океана магмы» радиоактивныепримеси сконцентрировались в остаточном расплаве — тонкой подкоровой зоне«Предвестник KREEP-комионента» (см.
рис. 102) и коре, то дальнейшая эволюция недр определялась медленным остыванием наружного слоя Луны — увеличением толщины лунной литосферы, соответственно вытеснением астеносферной зоны — зоны конвекции — к центральным областям. В конце этого периода Луна зафиксировала свою равновесную фигуру, которая впоследствии быламодифицирована в основном лишь из-за перераспределения вещества в наружном слое при ударном образовании круговых морей и из-за течений вещества,сформировавших масконы. В эту эпоху, ∼ 4 ⋅ 109 лет назад, Луна находиласьот Земли на расстоянии, равном ∼ 20RЗ (см. §11.8). В этот же период происходило зарождение базальтовых магм в истощенной верхней мантии Луны засчет процессов частичного плавления, вызванного слабым радиогенным разогревом. При прохождении через тонкий KREEP-слой лавы могли обогащатьсяKREEP-компонентой и при излиянии порождать KREEP-породы. Формированиеповерхностных пород ранней Луны заметно осложнялось процессами ударногометаморфизма, когда при высокоскоростных падениях тел астероидных размеров могло разбрасываться вещество с глубин в десятки километров.Третий период в эволюции Луны длился ∼ 108 лет (4–3.9 ⋅ 109 лет назад)и связан с ударным образованием круговых бассейнов (Море Дождей, МореВосточное, Море Ясности, Море Кризисов и др.).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
