Глава 04. ПРОЦЕСС ВЫДЕЛЕНИЯ ЗЕМНОГО ЯДРА (1119267), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При расчете скорости остывания мантии мы исходили изтого, что в настоящее время еще продолжается остывание Земли, создающее хоть ислабый, но вполне заметный суммарный тепловой поток около 0,25·1020 эрг/с (см. раздел5.5). По нашим оценкам, приведенная к поверхности температура мантии сейчас близка к1320 °С, но постепенно снижается со скоростью около 0,015 °С за 1 млн лет.4.3. Бародиффузионный механизм дифференциации земного веществаРазработка теоретической модели действующего в настоящее время процессадифференциации земного вещества, приводящего к увеличению в центре Земли массыплотного ядра, сопряжена с решением ряда труднейших задач. Действительно, сампроцесс дифференциации непосредственно не наблюдаем, а судить о нем приходитсятолько по косвенным проявлениям на поверхности Земли и анализируя данныеэкспериментальной и теоретической физики. Один из сложных моментов изучения этогопроцесса возникает за счет значительного превышения температуры плавления силикатовна больших глубинах над адиабатической температурой мантии.
Действительно, понаиболее вероятным оценкам плавление силикатов мантии при высоких давлениях,господствующих на ее подошве, превышает 8000 К, тогда как температура мантии на этихже глубинах близка к адиабатической – приблизительно 3200 К (см. раздел 2.8).Очевидно, что существование такого значительного температурного барьера около 5000°С полностью исключает предположение о возможности выделения земного ядра за счетего выплавления из мантии.Именно это заставило предположить, что в настоящее время выделение окисловжелеза из силикатов мантии происходит благодаря распаду твердых растворов подвлиянием высоких давлений и диффузии окислов железа из кристаллов силикатов вмежгранулярные пространства мантийного вещества (Монин, Сорохтин, 1981). Такоепредположение основано на принципе Ле-Шателье и экспериментально установленномявлении распада твердых растворов под влиянием высоких давлений в тех случаях, когдамольный объем этих растворов превышает сумму мольных объемов входящих в негокомпонент, т.е.
когда растворение данного компонента приводит к увеличениюотносительного объема раствора. Распад растворов происходит благодаря снижению подвлиянием давления растворимости компонентов в рассматриваемом растворе.Эксперименты с реальными твердыми растворами показали, что их распад неплохоописывается теоретическими выражениями. Это дает нам право использовать теориюраспада твердых растворов для описания процесса выделения окислов железа изсиликатов мантии.
К сожалению, нам не известна по экспериментальным даннымвеличина объемного эффекта смешения окислов железа с силикатами при высоких исверхвысоких давлениях. Однако можно ожидать, что после первого электронно-фазовогоперехода в железе стереометрия его окиси Fe2O будет резко отличаться от строениядругих силикатообразующих окислов. По данным же экспериментов смесимость104компонентов с разной кристаллической структурой при повышении давления резкопадает. Это позволяет предположить, что твердые силикатные растворы, содержащиеокись железа, при давлениях, превышающих уровень первого электронно-фазовогоперехода в железе (около 130 кбар), могут распадаться.Однако для выделения окислов железа из вещества мантии еще недостаточносамого процесса распада силикатов, так как необходимо еще вывести эти окислы железаза пределы кристаллической решетки силикатов в межгранулярные пространства.Механизм такого вывода окислов железа из кристаллов и зерен силикатов, очевидно,может быть связан только с диффузией.
Но обычно термическая диффузия приводит кгомогенизации вещества, здесь же должна наблюдаться прямо противоположная картинаконцентрации окислов железа в межгранулярных пространствах и пленках. Такаяситуация может возникать только в одном случае, если на пути диффундирующих атомовсуществуют энергетические барьеры, позволяющие им перемещаться в одномнаправлении и затрудняющие возвратные движения.Такие естественные энергетические барьеры возникают на гранях кристаллов иотдельных зерен. Действительно, при диффузии из кристалла некоторого объема окисловжелеза выделяется энергия, пропорциональная возникшему уменьшению суммарногообъема вещества при данном давлении. Очевидно также, что для обратной диффузииокислов железа в кристалл теперь уже придется произвести дополнительную работу,направленную на преодоление давления и расширения вещества на ту же величинуобъема.
Благодаря этому явлению окислы железа, диффундировавшие из кристаллов изерен силикатов, при высоких давлениях, господствующих в нижней мантии, уже немогут вернуться обратно и должны постепенно накапливаться в межгранулярныхпространствах и межкристаллических пленках.При рассмотрении процессов диффузии, естественно, необходимо помнить, что вдействительности по вакансиям и дефектам кристаллической решетки перемещаютсятолько атомы, а не их соединения. Поэтому было бы корректнее отдельно говорить одиффузии железа и кислорода с их парциальными коэффициентами диффузии.Несовпадение значений этих коэффициентов приводит к разной скорости перемещенияатомов и как следствие этого к нарушению стехиометрических составов в равновесныхсоединениях диффундирующих элементов.
Однако нарушение стехиометрическихотношений, в свою очередь, вызывает появление и возрастание химических потенциалов впограничных слоях, разделяющих разошедшиеся атомы. В результате добавления новойэнергии скорости диффузии железа и кислорода должны выравниваться в соответствии ссоставом устойчивого при данных условиях соединения или эвтектического расплава.Под влиянием высоких давлений, превышающих давление первого электроннофазового перехода, у железа резко меняются его физические и химические свойства (см.раздел 2.6).
Действительно, после такого перехода у атомов железа, как и у меди, навнешней s-оболочке остается только по одному электрону. Но эндогенных силикатов медине существует, поэтому можно ожидать, что и силикаты железа в нижней мантиистановятся неустойчивыми и должна распадаться. В этих условиях устойчивой формойсоединения железа, как мы уже отмечали в разделе 2.6, по-видимому, являетсяэвтектический расплав Fe·FeO, эквивалентный окиси одновалентной фазы железа(Сорохтин, 1971).
Можно предположить также, что реакция распада двухвалентной окисижелеза 2FeO → Fe2O + O будет происходить на гранях кристаллов благодаря диффузииатомов железа и кислорода из железистых силикатов. С другой стороны, эта же реакциябудет контролировать и значения коэффициентов диффузии железа и кислорода такимобразом, чтобы за гранями кристаллов (в межгранулярных пространствах) возникалоустойчивое соединение Fe·FeO (или Fe2O).Учитывая приведенные соображения, здесь и в дальнейшем мы будем говорить одиффузии окислов лишь условно, для упрощения изложения, имея в виду ихэффективную диффузию и помня, что физически в твердых средах могут диффундировать105только атомы.
В связи с тем что рассматриваемый процесс дифференциации земноговещества определяется как давлением, так и вызванной этим давлением диффузиейатомов в кристаллах силикатов, сам процесс дифференциации по такому механизму мыбудем называть бародиффузионным.Из теории следует, что предельная концентрация компонента, увеличивающегоотносительный объем раствора, с увеличением давления только уменьшается поэкспоненциальному закону. При этом, процесс разделения фракций может развиватьсятолько в том случае, когда исходная концентрация компонентапревышает егопредельную концентрацию для данных значений давления и температуры (рис.
4.5).Рис. 4.5. Зависимость от давления предельной концентрации насыщения твердых растворов окислов железав силикатах мантии. Область развития бародиффузии окислов железа из силикатов мантии показана крапомДля окиси железа, входящей, например, в оливин, до давления 130 кбар вприсутствии MgO наблюдается полная смесимость окислов с кремнеземом вплоть достехиометрического отношения в фаялите (Fe2SiO4). Поэтому предельную концентрациюдвухвалентной окиси в силикатах при низких давлениях можно принять приблизительноравной 0,706, или в пересчете на “ядерное” вещество Fe2O ≈ 0,628. Современная средняяконцентрация окислов железа в мантии в пересчете на FeO = 0,083 (см.
табл. 2.1), а впересчете на “ядерное” вещество C(Fe2O) ≈ 0,074. Поэтому при низких давлениях никакойдифференциации окислов железа происходить не может.Учитывая, что предельная концентрация насыщения силикатов окислами железас давлением быстро уменьшается по экспоненциальному закону, можно ожидать, что внижней мантии существует такой уровень, глубже которого начинает выполнятьсяусловие распада твердых растворов.
Мы предположили, что в настоящее время этотуровень совпадает с глубиной перегиба кривой функции механической добротностимантии на глубине около 2000 км (см. рис. 2.20), которой соответствует давление 0,89Мбар и температура около 2730 К. Тогда можно ожидать, что на этом уровне предельнаяконцентрация “ядерного” вещества в растворе силикатов равна 0,074, откуда удаетсяопределить, что на поверхности земного ядра (при давлении 1,38 Мбар и температуре3130 К) значение предельной концентрации насыщения этим веществом силикатовмантии приблизительно равно C*(Fe2O) ≈ 0,027.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
