В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Лед«чликояым (1939) и В. Рамзеел< (1949). Согласно этой гипотезе Земля химически олноролна, а граница между мантией и ядром обусловлена фазовым переходом силикатного вещества мантии в более плотную жилку<о металлическую фазу. Фазовый переход имеет место при определенном давлении (и температуре).
т.е. на вполне определенной глубине (примерно 2900 км для Земли). Слеловательно, чем больше радиус планеты, тем большую ее часть занимает тяжелое (плотное) ядро и, значит, тем больше ее срелняя плотность. Если в соответствии с гипотеюй Рам зев — Лолоч никона считать, что планеты земной группы, сформировавшись из единого газопылевого облака, остались химически однородными, то распределение в них плотности, лавления и температуры должны определяться елиной зависимостью — уравнением состояния вещества планет вила (5.6). Если теперь использовать полученную лля Земли зависимость р = р(г) лля расчета масс других планет земной группы, то оказывается, что лля лости кения согласия расчетных и реальных значений нужно увеличить»земную» плотность на: 5% — лля Венеры, 8%— лля Марса., 0% — для Луны.
Поскольку точность оценки плотности Земли находится в этих же прелелах, прелположение о единстве уравнения состояния для планет земной группы можно считать справелл и вы и. Нанеся на кривую р = р(г) (те. на кривую состоянии) глубины, на которых лааление в Земле равно лавлению в центрах планет, обнаружим, что условия лля образования ядра с металлическими свойствами (те.
условна для соответствующего фазового перехода) реалиюваны помимо Земли только лля Венеры, По современным представлениям наличие жидкого проводящего ядра является необходимым условием генерации магнитного поля (подробнее рассмотрим это в гл. 7), Следовательно, отсутствие ядра у Марса (в рамках гипотезы Рамзея — Лодочникова) означает отсутствие у него магнитного поля. Действительно, по современным данным, величина магнитного липаля у Марса в 100 раз меньше, чем у Земли. Основным аргументом против гипотезы Рамзея — Лодочникова является отсутствие ее экспериментального полтвержления: в лаборатории не удается получить необходимого уплотнения силикатов. Следует. однако, учесть, что лабораторное нагружение вещества до нескольких мегабар является ударным, т.е. действует очень короткое время (10~ — 10 з с), что не соответствует условиям Земли.
Теоретические соображения н лабораторные данные по некоторым материалам, испытывающим похожие фазовые переходы при меньших давлениях, свидетелыггвуют о том, что длительность нагружения может иметь принципиальное значение, и результаты экспериментов по ударному нагружению могут качественно отличаться от результатов при статических нагрузках. Таким образом, вопрос этот остается открытым, однако большинство исследователей придерживается гипотезы железного ядра Земли. $.5.2. Граница Мохоровичича Возможны два объяснения природы границы Мохоровичнча.
!. Различный состав вещества коры и мантии Земли. В этом случае граница Мохоровичича имеет химическую природу, а кора выделилась нз мантии в процессе эволюции Земли. 2, Различное состояние вещества мантии. В этом случае граница Мохоровичича фазовая, обусловленная фазовым переходом при условияхр-Тна соответствующих глубинах. Возможна и смешанная ситуация: для одних регионов и типов коры граница Мохоровичича химическая, для других — фазоная. Данные о скоростях сейсмических волн под границей Мохоровичича и мантийные ксенолиты позволяют допустить два предположения о составе мантии: либо она состоит нз основных пород эклогитовой группы, либо — нз ультраосновных порол группы перидотитов (более близких по составу к хондритовым метеоритам).
Заметим, что установленные в верхней мантии горизонтальные неоднородности допускают предположения о вариации ее состава в диапазоне от перидотнтов до эклогита. Земная кора у своего подножья сложена основными породами типа габбро. Те. если мантия имеет эклогитовый состав, то граница Мохоровнчича — фазовая, поскольку базальт и эклогит химически идентичны и различаются только по минералогическому составу. Если же мантия имеет перидотитовый состав, то граница Мохоровичича — химическая. Для прояснения границы Мохоровичича можно воспользоваться эмпирической зависимостью Берча скорости упругих волн от плотности, которая использовалась при построении моделей Земли (5.! 2) (5.21) с,=ар + Ь, где Ь = Ь(л!), и — средний атомный вес вещества. 176 Для давления 1 ГПа, что примерно соответствует подошве континентальнойй коры а = 3,31 1с „— в км/с, р — в г/смз), Из (5.21) следует, что изменение скорости Р-волн при переходе от коры к мантии имеет вид Ьсг = — Ьр, + — Ьгл, где Ьр — изменение плотности при фазовом переходе; Ьлг — изменение среднего атомного веса при изменении химического со- (дс') ( дс ~ става вещества.
Производные ~ — ~ и ~ — ) мо|уг быть получены др дгл из эксперимента Если граница Мохоровичича — чисто фазовая, то Ьгл = 0 и Ьс = 3,31Ьр . При переходе отгабброкзклогитубр -ОА-0,5. Следовательно. в случае фазовой границы изменение скорости на ней должно составлять Ьс„= 11,3 — 1,Ь) км/с. Сейсмичексимн исследованиями установлено, что для континентальных щитов и платформ скачок скорости Р-волн на границе Мохо обычно Лс,)си) < 1 км/с. Значения /гс,(с,„) " 1,4 встречакпся только в областях молодой тектоники. Если граница Мохоровичича — химическая граница между базальтовой корой и перидотитавой мантией, то Ьгл = — 1,1 и Ьгл - 0,9 км/с, Это значение согласуется с Лси для щитов и платформ, но мало согласуется для областей молодой тектонической активности, Резульщты обобщены в табл. 5.2.
Гаолвцо 52 Изменения скорости сейсмических волн на границе Мохе 1континенты) Таким образом. на континентах, для щилгов и ллалнйорзг граница Мохоровичича химическая, в областях могодой тектоники может быть 4~азовой. Для океанической коры описанный подход неприемлем, так как мощность океанической коры составляет!0 — ! 5 км, а при давлениях, характерных для этих глубин, существенное влияние на зависимость ср(р) оказывает пористость пород.
Анализ известных для горных пород фазовых переходов свидетельствует, что при давлениях, отвечающих границе Мохоровичича под океанами, никакие фазовые переходы с требуемыми параметрами невозможны, т.е. под океанами граница Мохоровичича, по-видимому химическая, Возможны также фазовые переходы на глубинах 50 — 60 км. Эти переходы могут обуславливать скачки скоростей упругих волн на 0,2 — 0,3 км/с, т.е. соответствующие сейсмические границы будут слабыми. 5.5.5.
Переходная зона в мантии Особенность годографа (петли) на эпицентральных расстояниях около 20' (см. рис. 4.33) обусловлена наличием двух слоев с аномально высокими градиентами скорости, которые в современных моделях заменяют границами на глубинах около 410 и 660 км. Обе эти зоны, а также слой на глубинах около 520 км сформированы фазовыми переходами вещества мантии на соответствующих глубинах (забл.
5.3, рис. 5.15). таблица 5.3 Цепочка фазовых переходов опнвннв в мантии Эти переходы сопровождаются уве щчепикн пютности вещества, однако их характеристики разные. Граница на глубине около 410 км обусловлена фазовыми превращениями оливин -+ вадслеит (структура шпинели), часто для простоты говорят о переходе «оливин — эшпинель». В структуре шпинели ионы кислорода О ' так же, как и в оливинах, образуют плотнейшую упаковку, но только не гексагональную, а кубическую гранецентрированную.
Плотность вещества увеличивается примерно на 10%, а упругие модули — еше значительнее, Этот фазовый переход имеет положительный наклон кривой Клапейрона г/Р/йТ = 3 МПа/К О !5ОО ОООО Температура (К) Рис, 5,15. Схема важнейших фазовых изменений в мантии: а — диаграмма фазовых преобразований для оливина: оливин (и) через вадслеит ())) и рингвудит ф в перовскит (от) и магнезиовостит (ягх), С зонами переходов оютносятся основные сейсмические границы на глубинах афй 520 и ббб км.
Темно-серым показана адиабата в верхней мантии с температурой ) 500 — ) б00 К: б — фазовые переходы оливина в сопоставлении с профилем скорости 5-волн (по МОКепз)е, ) ОВЗ; из гож)ег, 2005. Р 550 с изменениями) (рис. 5.16. а) и проходит с выделением тепла 1экзотермический переход). Для границы на глубине около 660 км наиболее вероятным считается следующий переход: Мй 510 (шницель) —, М5510 (структура перовскнта) + МКО, который сопровожлается увелйчением коорлннационного числа кремния с 4 до 6, Этот фазовый переход имеет отрицательный наклон кривой Клапейрона с/Р/г)Т -2 МПа/К 1рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
