Глава 02. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ СОВРЕМЕННОЙ ЗЕМЛИ (1119265), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Расчеты показывают, что в этом случае в настоящее время измантии в ядро переходит приблизительно 150 млрд т/год“ядерного” вещества. Ноединственными подходящими на эту роль компонентами в современной мантии Землиявляются окислы железа FeO и Fe2O3, суммарное содержание которых в ее веществе сейчас42достигает приблизительно 8%. В противоположность этому, концентрация сульфидов железа всовременной ювенильной мантии не превышает 0,1%. Следовательно, и с этой точки зрениялегкой добавкой к железу в земном ядре скорее всего является кислород.Из наиболее вероятного процесса гомогенной аккреции планет вытекает, что молодаяЗемля сразу после своего образования была однородной по составу и лишенной плотного ядрапланетой. Изучение процесса расслоения Земли, а также изотопно-свинцовые отношения вземных породах показывают, что ядро выделялось постепенно.
Отсюда следует, что все“ядерное” вещество, ныне находящееся в ядре, в начале геологической истории Земли былоболее или менее равномерно рассеяно по первичной мантии. Но поскольку самые древниепороды коры так или иначе произошли в результате их выделения из мантии, можно ожидать,что в их составе в изобилии должны находиться и компоненты, ныне опустившиеся в земноеядро.
В ультраосновных и основных породах архея обычно наблюдаются повышенныесодержания FeO, а в древних базальтах Гренландии на о. Диско встречается даже самородноежелезо. Но никаких заметных аномалий концентрации серы в архейских породах ненаблюдается. Удельный же вес сульфидной металлогении того времени по сравнению с общеймассой содержащихся в породах окислов железа ничтожно мал. Следовательно, геологическиеданные также свидетельствуют в пользу окисно-железного, а не сульфидного состава земногоядра.Учитывая приведенные выше данные и соображения, еще в 1971 г. О.Г.
Сорохтиным былапредложена и обоснована гипотеза окисно-железного состава внешнего жидкого ядра Земли.Внутреннее же твердое ядро при этом по традиции принималось состоящим изжелезоникелевого сплава метеоритного состава Fe0,9·Ni0,1. В дальнейшем эта гипотеза былавоспринята и поддержана К.
Булленом (1973) и А. Рингвудом (1977).Для определения стехиометрии соединения железа с кислородом при высоких давленияхнеобходимо напомнить, что железо относится к переходной группе элементов с полностьюзаполненной внешней электронной оболочкой 4s2 и частично вакантной внутренней 3d6электронной оболочкой. Напомним, что электроны в атомах могут находиться только наопределенных энергетических уровнях и группируются в электронных оболочках,обозначаемых латинскими буквами s, p, d, f и т.д., тогда как номер оболочки обозначаетсяцифрами. В каждой атомной оболочке нейтрального атома может находиться не болееопределенного количества электронов: в s-оболочке — не более двух электронов, в p-оболочке– не более 6 электронов, в d-оболочке – 10 электронов, в f-оболочке – 14 электронов и т.д.Число электронов, находящихся в данной оболочке, обычно отмечается числовым индексомнад обозначением оболочки.
Например, атомный номер железа равен 26, следовательно, укаждого нейтрального атома железа имеется 26 электронов, сгруппированных в семиэлектронных оболочках следующим образом: 1s22s22p63s23p63d64s2. Химические связи элементамогут возникать только с электронами, находящимися во внешних и не полностьюзаполненных оболочках. По этой причине при характеристике химических свойств конкретныхэлементов внутренние, полностью заполненные электронами оболочки, обычно не отмечаются.В этом случае электронную конфигурацию железа можно обозначить 3d64s2.Поскольку внешняя электронная оболочка железа 4s полностью заполнена электронами,то при нормальных давлениях все химические свойства этого элемента определяются тольковакантными электронными уровнями оболочки 3d.
Однако известно, что под влиянием высокихдавлений в атомах переходных металлов возникают электронно-фазовые перестройки, врезультате которых внешние электроны переходят на внутренние орбиты, но при этомменяются и химические свойства элемента.У железа первый электронно-фазовый переход наблюдается при давлениях р>130 кбар,после чего один из внешних s-электронов переходит на d-орбиты, меняя тем самымэлектронную конфигурацию в его атомах 3d64s2→3d74s1.
В результате такого перехода навнешней электронной s-оболочке железа остается только один неспаренный электрон,приобретающий теперь способность присоединять к себе один из электронов другого атома,43например кислорода, образуя с ним прочную одновалентную связь, откуда следует, что ужелеза при высоких давлениях должны проявляться четко выраженные свойстваодновалентного металла. Следовательно, химический состав “ядерного” вещества во внешнемземном ядре должен отвечать окиси железа с несколько непривычной стехиометрией Fe2O илиэвтектическому сплаву Fe·FeO.При еще больших давлениях р ≈ 3 Мбар в железе происходит второй электронно-фазовыйпереход 3d74s1→3d8, после которого железо становится химическим аналогом никеля (3d84s2), ахимические свойства также полностью определяются аналогичной конфигурацией электронов(d8) в 3d-оболочке его атомов.
Под влиянием высоких давлений, правда, никель также можетиспытывать электронно-фазовые перестройки и менять свои химические свойства, но этопроисходит при еще более высоких давлениях. Поэтому вторым электронно-фазовымпереходом железа, по-видимому, можно объяснять формирование сплава Fe·Ni во внутреннемядре Земли и его большую плотность, чем у железа при том же давлении.Гипотеза окисно-железного состава (Fe2O) внешнего ядра и железоникелевого (Fe0,9·Ni0,1)состава внутреннего ядра в середине 70-х годов была проверена нами расчетами поэкспериментальным данным ударного сжатия металлов и их окислов. Результаты такойпроверки показали полную совместимость принятой гипотезы с распределениями плотностивещества в Земле, построенными по независимым сейсмологическим данным (см.
рис. 2.13).Тогда же гипотезу окисно-железного состава внешней оболочки земного ядра активноподдержал известный сейсмолог К. Буллен (1973, 1978) и петролог А. Рингвуд (1977, 1982).Несколько позже появились работы Е. Отани и А. Рингвуда (1984), экспериментальнопоказавшие, что при высоких давлениях (р>200 кбар) наблюдается практически полнаярастворимость окиси железа в расплаве металлического железа с образованием сплава Fe·FeO,близкого по стехиометрии к составу Fe2O.
При этом оказалось, что температура плавленияэвтектического сплава Fе·FO существенно ниже температуры плавления исходных компонент изаметно ниже адиабатического распределения температуры в мантии (см. рис. 2.17). Более того,в эксперименте было обнаружено теоретически предсказанное уменьшение мольного объемасплава Fe·FeO примерно на 3,8 см3/моль по сравнению с суммарным мольным объемомисходных компонент (при нормальном давлении этот объем приблизительно равен 19,1см3/моль). Столь значительное уплотнение сплава Fe·FeO (более, чем на 20%), по-видимому,можно объяснить только электронно-фазовыми переходами в атомах железа и возникновениемв расплаве при высоких давлениях сильных химических ковалентных s-связей в молекулахFe2O, как и предполагается в исходной гипотезе.
Проведенные А. Рингвудом и его коллегамирасчеты также подтвердили, что при давлениях, господствующих во внешнем ядре, плотностьэвтектического сплава Fe·FeO неплохо соответствует наблюдаемым плотностям “ядерного”вещества по сейсмологическим данным.Происхождение магнитного поля Земли и его нестационарный (переменный) характеробычно связываются с конвективными течениями в жидком веществе земного ядра. Однако длявозбуждения магнитного поля Земли необходимо, чтобы “ядерное” вещество обладало высокойэлектропроводностью. Прямых измерений электропроводности соединения Fe2O или сплаваFe·FeO при высоких давлениях и температурах пока не проводилось, тем не менее из общихфизических и квантово-механических соображений следует, что вещество с таким составом вусловиях земного ядра должно обладать металлической электропроводностью.Таким образом, суммируя приведенные выше теоретические соображения о природе“ядерного” вещества Земли, а также экспериментальные данные о температуре плавления иплотности эвтектических сплавов железа с его окисью при высоких давлениях, можно сбольшой долей вероятности утверждать, что внешняя (жидкая) часть земного ядра состоит израсплава окиси одновалентного железа Fe2O или из эквивалентного этому соединениюэвтектического сплава Fe2O, устойчивых только при высоких давлениях.
Внутреннее же ядровероятнее всего состоит из железоникелевого сплава Fe0,9·Ni0,1. Состав переходного слоя F44между внешним и внутренним ядром естественнее всего считать сульфидным состава FeS.Выяснив составы отдельных геосфер, можно рассчитать и средний состав Земли (табл. 2.1).Т а б л и ц а 2.1Состав современной Земли и первичного земного веществаОкислыСостав континентальной коры 1)Модельныйсостав мантииЗемли2)Модельныйсостав ядраЗемлиСостав первичного веществаЗемли (расчет)Среднийсоставхондритов3)Среднийсоставуглистыххондритов4)SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOMgOCaONa2OK2OCr2O3P2O5NiOFeSFeNi59,30,715,02,45,60,14,97,22,52,1–0,2––––45,50,63,674,154,370,1338,352.280,430,0120,41–0,1–––––––49,34–––––––6,6943,410,5630,780,412,52–22,760,0925,771,560,30,0160,28–0,072,1713,10,1838,040,112,50–12,450,2523,841,950,950,170,36––5,7611,761,3433,00,112,53–22,00,2423,02,320,72–0,490,38–13,6––Сумма100,0100,0100,0100,099,4898,39По А.Б. Ронову и А.А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
