Brown & Mussett The Inaccessible Earth 06 Chapter (1119259), страница 4
Текст из файла (страница 4)
популярным становится представление о внешнем ядре, состоящем из железа и серы. Электронная конфигурация этих элементов (см. разд. 5.3) указывает на то, что железо способно растворять в процессе образования ядра всю имеющуюся серу, в результате чего только излишек железа переходит в форму охжслов или остается в виде металлической фазы.
С другой стороны, кремний, имеющий такую же злектроотрицательност~ как и железо, образует небольшие ионы, которые обьелнняются с кяслородом в силикатах и проявляют тем самым сильные литофильные свойства Поскольку окислы железа определенно присутствуют в коре и мантии, сушествование более литофильных силикатных соединений в кцре означало бы, что на границе ядра и мантни существуют условия значительного химического неравновесия. Это маловероятно, поэтому мнение «против кремния и за серу» во внешнем ядре укрепилось. Более того, если внешнее ядро не содержит значительной доли серы, входящей в состав хондритовой Земли, то зто означает, что Земля должна была потерять большое количество серы во время аккреции, а это (как было показано для Венеры в разд.
5.4.4) сделало бы плотность Земли значительно ниже, чем на самом деле (см. рис. 5.8). Наконец, железные метеориты часто содержат значительную долю сульфнда железа в виде минерала шрояяяякЬ так что совокупность данных по метеоритам в целом также свкдетеяьствует в пользу серы. Экспернментальные данные по ударным волнам, полученные Аренсом (33, показывают, что хорошее совпадение с плотностью внешнего ядра может дать смесь 9-!2;4 серн с железом (вероятно, ближе к верхнему пределу этого диапазона). Вели это так, то утверждение о наличии серы во внешнем ядре Земли звучит убедительно, но, по-видимому, самые неоспорямые доказательства можно получить, анализируя температуры плавления, к чему н обратимся в следующем разделе.
632. Телтературе я эволюция. На рис. б.б,а представлена диаграмма состояния, характеризугопшя условия плавления в системе Ре-Ееб при атмосферном давлении. Хотя чистое железо плавится при 1539'С, а частый Ее$-при 1230'С„любой промежуточный состав между этими двумя экстремумами испытывает часяючное плавление, начиная с го- 126 6.
ЗВМНОП ЯДРО 1 600 0 Э1 40 60 60 100 Р»6, 4»Ф,11 (61 давленая грвняцм ядра и мантии (1,4 Мбар) (228]. Заметьте, что температурные шкалы нв диаграммах различные 0 60 40 60 60 100 РеЯ, вве.в (41 Рнс. 6.6. Успевая плавления (днвгрвммм еосгояыяя) рвэдячпмх смесей Ее-Рей. а-прн дввдеппп 1 втм; б-эхегрвполвроввннме е учетом раздо более визкой температуры (998'С). Это обусловлено тем, по в системе ге-ге8 присутствует эеямюяпческая смесь, ыли эетектпка, содержащая 75%.шай Гей (что соответствует 27% серы), которая и образует первый расплав.
Смесь, пелвком отвечающая составу эвтекгики, при 998 С оказывается в полностью расплавленном состояыии. Но в смеси любого другого состава количество расплава растет с повышепием температуры вплоп. до полного плавлешш прв температуре, соответствующей ордывате кривой па рвс. б,б,а, Напрвмер, смесь, состоящая ыа лУ)', из Е6$ и ыа 807,' из Ре, иачиыает плавиться при 998'С и оказываетса полвосп ю расплавленной примерно при 1420'С. Очевидно, присутствие серы зыачительыо понижает точку плавления чистого железа. Поэтому среды разлвчыых вариантов смеси железа и серы во выешыем ядре можно выбрать такую смесь, погорел ямеет достаточно низкую температуру плавления, что позволяет объяспыть рвзиые температуры плавлепия внутреннего и виешыего ядра, как это показано ва рис.
6.1,6. Наоборот, железо-кремвиевые в железо-ыикелевые смеси ие образуют подобной эвтектики с ыызкой температурой плавлеыия. Таким образом, ввутревыее ядро представляет собой крисгаллизующвйся при высокой температуре сплав, что и объя4яшет его твердое сосппвиж Чтобы выасвить условия плавлепия систем ге-геб при давлеыияк, карактерыых для земвого ядр1ь были проведшие эксперименты 12282 со смесвми ге-Х(-Б при давлеыиях до 100 кбар, а усгаповлевыые при этом тепдеыции были экстраполированы па шце более высокие давлепиа.
Некоторые ыз полученных результатов показаны ыа рис. 6.6 и 6.7; витервал между температурами плавления чистого железа и звтектвки с глубиной возрастает. Следовательно, во время образовапия ядра (рпс. 5.2) эетеюяпческпй распвае мог пройти через маытяю быстрее, чем чистое железо, так как для того, чтобы в мантии эвтектыка оставалась яэщкой, там пе иужеп был высокий температурный градвеыт. Поскольку температура с глубвыой, вероятно, повышалась, возможыо, из-за гравитационной энергии, высвобождавшейся при опускании расплава, эвтектика могла «промывать» твердое вещество мантии, вынося из него сульфид железа. С другой стороыы, точка плавле- О.
ЗЕМНОЕ ЯДРО И1 Рис. БЛ. Кривые температур плавления Ге и эвтектики Ге — $ для внутренних областей Земли, Обратите внимание (на рис, б.б), что, хотя у поверхности в составе звтектики присутствует 27'.~ серы (75% Геб), к границе мантии и ядра солернание серы меняется до 17,5% (48% Геб), а к границе внешнего и внутреннего ядра-до 15",,' (41% геб). Показанные на рисунке кривые представляют собой пределы температур„возлшнных во внешнем ядре Земли [228).
о,е о,о о, ° о,г о раеетаацце ет центра Звмеи а ааааа римера Зева» т,о ния чисшого железа только немного ниже, чем у большинства сяликатов, и если только на ранних стадиях температуры были не слишком велики н не вызвали почти полного плавления всей Землн, опускавшееся расплавленное железо долило было в общем случае застывать.
Таким образом, опускание близкого к эвтектике расплава геб через полупроиицаемые твердые маитниные снликаты создавало механизм образованна ядра, соответствующий модели однородной аккреции (равд. 5.2„рис. 5.2). Но состоит ли внешнее ядро на самом деле нз эвтектической смеси? Уссельман 1228) показал, что с повышением давления количество серы в эвтектической смеси убывает. По его оценке, содержание серы в составе эвтектики у границы ядра и мантии равняется 17,5% и умеиыпается к границе внешнего н внутреннего ядра до 15% (от 48 до 41% и'еБ).
Уссельман также пришел к выводу, что несколько процентов никеля во внешнем ядре мало повлияют на полученные оценки температуры. Поэтому такая энте«тика содержит только немногим больше 9 — 12% серы, как это предполагалось исходя из данных о плотности (12% 8 эквивалентны 33% ге$). Условия плавления смесей ге — УеБ при давлениях, соответствующнх границе ядра и мантии, схематически показаны на рис.
6.6,6, где видно повьппение температуры плавления и уменьшение содержания серы в эвтектике. Пределы температур в ядре можно теперь вывести из диаграмм рис. 6.6, б и 6.7, учитьпшя крайние члены ряда возможных составов. Принимая, что внешнее ядро имеет состав эвтектики, получаем, что минимальная возможная температура составляет у границы ядра и мантии 1800'С и возрастает по направлению к границе внешнего н внутреннего ядра до 2100'С. Кривая плавления для чистого железа дает максимальные значения возможных температур у кровли н подошвы внешнего ядра, равные 3900 и 4400'С соответственно.
Прн более высоких температурах внутреннее ядро должно было бы расплавиться. (Джейкобс )"108, с. 995 иерттчнсляет 16 независимо полученных значений температуры плавления железа в условиях давлений у граинцы ядра и мантии. Полный диапазон этих оценок-от 2340 до 4800'С, со средним значением 3750'С, что очень близко к значению, полученному Уссельманом 12281.) Согласно првведенным выше оценкам, температура у границы мантии и ядра заключена между 1800 и 3900'С. Эльзассер н др. [66] рассмотрели вероятное распределение 122 а земное ядро температур в ядре в связи с тем, как тепловой поток из ядра влияет на конвеюйпо в глубоких горизонтах мантии. Оыи пришли к выводу, что температура у границы ядро-мантия составляет 3700 х 500'С, т.е. данная ими оценка укладывается в упоминавшийся здесь интервал.
Овя определилы также, что тепловой поток из адиабатического внешнего ядра должен быть равен (весьма приблизительно) 8 10м Вт; полученное значение близко к значению 10'з Вт, постулированному Габбинсом 1911. (Эти значения температуры и теплового потока, отноапциеся к ядру, сведены вместе с данными по мантии в табл. 8.2 и показаны на рыс. 8.12.) Теперь мы изложим вкратце принятые в настоящее время представления о составе, состоянии и эволюции ядра. Чтобы ядро образовалось, Земля должна была потерять кислород и стать химическы восстановленной относительно ховдритов (см. реакции (5.1) и (52)), так что железо вместе с другими халькофильными и сидерофильвыми элементами оказалось способным обособиться в цеытральной зоне высокой плотности внутри Земли.
Достигнуто согласие в вопросе о том, что значительная часть ядра образовалась на ранней стадни исторви Земли, хотя до сых пор ведутся споры о продолжительности этого процесса 1235, 2343. Первоначально ядро представляло собой, вероятно, полностью расплавленную смес~» состоявшую главным образом из железа, никеля и серы. Если Земля имеет «хондритовое» содержание никеля (около 1/) и серы (около 8;/), то в ядре, в результате активного разделения элементов при его образовании, должно быть около 3/ никеля и 24% серы. Но, по данным Аренса (33, в ядре содержится только 9-12% серы, т.е. половина той лодзь котораа должна быть в Земле, еслв она имеет состав хоцлритов С1.
Остальное находится в коре и мантии или было потеряно во время аккрецин. Поэтому вероятный валовой состав ядра при его образовании был следующим: 86/ железа, 11;/ серы н 3% нвкеля, со следами других сидерофнльных и халькофильных элементов, включал, возможно, 0,1% калик Следует заметить, что в большинстве железных метеоритов содержание серы значительыо ншке, обычно около 4,5%; тем не менее одним из распространенных ыинералов в этях метеоритах является троилит.
(Для этих метеоритов характерно очень непродолжнтельное развитие в условиях высоких температур, и, возможно, для полного разделенна на ядро ы мантию времени не было.) Если земыое ядро начало свое существование в виде расплавленной смеси Ре-Р(1-$, то его температура долина была превышать 4000'С (рис. 6.7). Однако вследствие непрерывыой потери энергии оно остывало, чему способствовала главным образом теплопроводность мантии. На некоторой стадии пропесс охлаждения должен был оказаться эффективнее, чем процесс нагревания внутреынимы источниками тепла, так как началось образоваыие внутреннего ядра путем кристаллизации железо-никелевого сплава.
Относительно того, происходит ли и теперь существенное остываыие ядра (что озыачало бы продолжающийся рост виутренвего ядра и существование гравитационной конвехции) или же внутреннее ядро имеет уже почти стабильные размеры, а во внешнем ядре преобладает тепловая коввпщия, питаемая энергией радиоактивности, мнения расходятса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
