Глава 02. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ СОВРЕМЕННОЙ ЗЕМЛИ (1119265), страница 6
Текст из файла (страница 6)
2.12. Рельеф земного ядра по данным сейсмической томографии Земли (изолинии проведенычерез 2 км) (Morelli, Dziewonski, 1987)Верхний предел вязкости вещества во внешнем жидком слое ядра можно оценить постепени поглощения продольных сейсмических волн, распространяющихся в этой геосфере.Таким путем было найдено, что средняя вязкость вещества в жидкой части ядра значительнониже ηс < 109 П и вряд ли превышает 103 П (Жарков, 1983). На основании изучения переменныхсоставляющих магнитного поля Земли и энергетического баланса геомагнитного динамо Д.Лопер (1975) пришел к выводу, что вязкость ядра, вероятно, приблизительно равна ηc= 0,4 П,т.е. близка к вязкости воды (10–2 П). Заметим попутно, что столь малая вязкость “ядерного”вещества во внешнем ядре говорит о его явном перегреве или, что то же, о его сравнительнонизкой температуре плавления.
Низкая вязкость вещества во внешнем ядре, безусловно,является необходимым условием генерации геомагнитного поля.Внутреннее ядро, в котором содержится приблизительно 1,1·1026 г вещества, или около1,8% массы Земли, как уже отмечалось, является твердым образованием и скорее всегоотличается по химическому составу от внешнего ядра.Тектоническая активность Земли, геохимическая эволюция мантии, ее дегазация игенетически связанные с ними процессы формирования океанов, атмосферы и земной коры с40присущими ей месторождениями полезных ископаемых, а также возникновение и развитиежизни на Земле, как это теперь все более четко выясняется, в конце концов приводятся вдействие и управляются планетарным процессом выделения земного ядра. Но этот главныйпланетарный процесс глобальной эволюции Земли, в свою очередь, полностью определяетсясоставом вещества земного ядра.
Учитывая исключительную важность вопроса правильногоопределения химического состава “ядерного” вещества Земли, остановимся на нем несколькоподробнее.2.6. Состав земного ядраПрямых данных о составе земного ядра нет. Тем не менее современные эксперименты сударным сжатием металлов и их соединений, а в последние годы и данные статического сжатияэтих веществ в сверхпрочных алмазных прессах с учетом данных о распространенностихимических элементов в Солнечной системе и на Земле позволяют с высокой степеньюдостоверности считать, что в земном ядре содержится около 90% железа (Альтшулер и др.,1968). Однако внешнее ядро не может состоять только из чистого железа и тем более из егосплава с никелем, поскольку плотность железа и никелистого железа метеоритного состава придавлениях, господствующих в земном ядре, приблизительно на 10–15% выше плотности“ядерного” вещества во внешнем ядре Земли.
Отсюда следует, что помимо железа в “ядерном”веществе должны содержаться легкие добавки, несколько снижающие плотность вещества.Среди таких добавок в разное время рассматривались кремний, сера и кислород. Однакокремний – наименее вероятный компонент “ядерного” вещества по чисто термодинамическимпричинам. Действительно, судя по составам наименее дифференцированных метеоритов –углистых хондритов 1-го типа, в холодном веществе протопланетного газопылевого облака взаметных количествах (до 25%) содержалась окись железа FeO, но в ее присутствии силицидыжелеза FeSi2 и FeSi неустойчивы и распадаются с образованием кремнезема SiO2 ивосстановлением железа до металлического состояния. Причем эта реакция происходит свыделением большого количества тепла и, следовательно, необратима:(2.1)2FeO + FeSi ⇒ SiO2 + 3Fe + 68 ккал/моль .Кроме того, нигде в метеоритном веществе, начиная от примитивных недифференцированныхуглистых хондритов, просто хондритов и кончая высокодифференцированными железоникелистыми метеоритами, силициды железа не встречаются.При выборе наиболее вероятной легкой добавки в “ядерном” веществе между серой икислородом следует учитывать как термодинамические условия формирования нашей планеты,так и условия выделения земного ядра на планетной стадии развития Земли.Не вдаваясь в подробности процесса образования планет Солнечной системы, обратимвнимание лишь на твердо установленные и наиболее общие закономерности распределенияпланетного вещества по мере удаления от Солнца.
Так, резкие различия плотности планетСолнечной системы совершенно определенно говорят, что их аккреции предшествовала (илисопровождала ее) интенсивная сегрегация химического состава первичного протопланетногооблака. Действительно, сейчас можно считать установленным общее уменьшение содержанияжелезоникелевой фазы в планетах земной группы по мере их удаления от Солнца (кроме Луны,“сбросившей” свое железное ядро на Землю при разрушении ее родоначальной планеты –Протолуны на пределе Роша Земли; подробнее об этом см. гл. 3). Так, судя по плотности планет(с учетом их сжатия), Меркурий содержит около 65% железоникелевой фазы, Венера – 28,8,Земля (вместе со “сброшенным” на нее железом Протолуны) – 32,5, а Марс – 20%.
С другойстороны, в атмосферах внешних планет сосредоточились огромные количества летучихкомпонент (H2, He, CO2, CH4, H2O, NH3, N2 и др.), иногда на порядок-два превосходящие массусиликатных ядер самих планет. Для сравнения отметим, что суммарная массы земнойатмосферы и гидросферы составляет лишь 0,024% массы твердой Земли, для Венеры эта доляменьше – только 0,0085%.41Аналогичная сегрегация, лишь в несколько меньшей степени, должна была происходить ис легкоподвижными элементами, включая серу. Теперь, после проведения подробногофотографирования спутников Юпитера, достоверно известно, что поверхность одного из них,Ио, сплошь покрыта “океаном” серы.
Это, по-видимому, убедительно говорит о выносе серыеще в процессе дифференциации протопланетного облака на периферию Солнечной системы.Следовательно, можно ожидать, что вещество планет земной группы еще до момента ихаккреции было существенно обеднено серой, во всяком случае по сравнению со среднимсоставом протопланетного облака.Рассматривая этот вопрос, А.
Рингвуд (1982) отмечает, что гипотеза вхождения серы всостав ядра встречает большие трудности в связи со значительным обеднением земноговещества рядом менее летучих, чем сера, элементов, например Cr, Mn, Na, K, F, Cs, Zn и Cl.Коэффициенты обеднения этими элементами по сравнению с их первичнойраспространенностью в углистых хондритах 1-го типа и на Солнце находятся в пределах от 0,3до 0,03.
Аналогичная картина наблюдается и во многих метеоритах. Например, обычныехондриты обеднены серой на 80%, тогда как Na, K, Rb, Mn и Cr в них сохранились почтиполностью. Более того, железные метеориты содержат в среднем только около 1% серы, хотяпри сегрегации железа в родительских телах если бы последние содержали средние(солнечные) концентрации серы (5–6%), большая ее часть должна была бы сконцентрироватьсяименно в металлической фазе в форме сульфида железа. В том случае концентрация серы вжелезных метеоритах была бы существенно выше 6%.
Отсюда следует, что и земное вещество вцелом по сравнению с солнечным веществом в несколько раз обеднено серой.Вместе с тем следует признать, что, подобно углистым хондритам, земное веществодостаточно окислено. Во всяком случае, вещество современной мантии сравнительно полноокислено, хотя и не до предельного состояния, поскольку в нем FeO/Fe2O3 > 1.Таким образом, анализ данных сравнительной планетологии позволяет считать, чтоотносительно среднего состава планет и метеоритов Солнечной системы Земля несколькообогащена железом (в 1,3–1,4 раза), существенно обеднена серой (в 10 раз) и другимиподвижными элементами, очень обеднена летучими соединениями (в 105–107 раз) ихарактеризуется почти средним для Солнечной системы обилием кислорода (по отношению ккремнию).Однако даже если бы потери серы из протопланетного облака в области формированияЗемли не происходило и в ее составе наблюдалось бы среднее содержание элемента (около 5–6%), то и тогда этого количества серы не хватило бы на формирование земного ядра, так как вядре состава FeS должно было бы содержаться по отношению к массе Земли около 11% серы.Но поскольку земное вещество все-таки было существенно обеднено серой, то оставшегося ееколичества в Земле тем более не хватит для формирования у нее сульфидно-железного ядра.Одновременно с этим, сравнительно полное окисление мантийного вещества Земли позволяетпредполагать существование окислов железа и в земном ядре.Рассмотрим теперь чисто геофизическую и геологическую информацию о возможномсоставе легкой добавки к железу в “ядерном” веществе Земли.
Подробный анализэнергетического баланса нашей планеты (см. гл. 4) показывает, что главным источникомэндогенной энергии в современной Земле является процесс гравитационной дифференциациимантийного вещества, приводящий к выделению в центре планеты плотного земного ядра и квозбуждению в остаточной силикатной мантии конвективных движений. Благодаря этомупроцессу сегодня в мантии генерируется около 3·1020 эрг/с гравитационной энергии, тогда какна долю распада радиоактивных элементов приходится только около 0,35·1020 эрг/с тепловойэнергии (остальная и большая часть радиогенной энергии, приблизительно 0,9·1020 эрг/с,выделяется в земной коре).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
