Глава 04. ПРОЦЕСС ВЫДЕЛЕНИЯ ЗЕМНОГО ЯДРА (1119267), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Следовательно, глубже 2000 кмконцентрация окислов железа (в пересчете на Fe·FeO) в мантийном веществе всегдаоказывается выше их предельной концентрации в силикатных растворах, как это показанона рис. 4.4. Отсюда следует, что выделение окислов железа из мантийного вещества, т.е.химико-плотностная дифференциация мантии, сейчас развивается только на глубинах от2000 км до поверхности ядра (2886 км). В будущем по мере уменьшения концентрацииокислов железа в мантии (за счет их перехода в ядро) диапазон глубин, в которыхпроисходит дифференциация мантийного вещества, будет только сокращаться.Бародиффузионная сепарация “ядерного” вещества от силикатов сопровождаетсявыделением заметной энергии.
Согласно нашим оценкам, на глубине 2000 км эта энергияравна 102 кал на каждый грамм выделившейся окиси Fe2O. На подошве нижней мантииэта энергия увеличивается до 151,6 кал/г. Всего же за время жизни Земли таким путемвыделилось примерно 1,3·1037 эрг, или около 6,5% общей энергии гравитационной106дифференциации Земли. Попутно отметим, что большая часть этой энергии ушла наупругое сжатие вещества.Приведенные здесь оценки эффектов уплотнения среды при бародиффузионнойдифференциации мантийного вещества были опубликованы еще в 1981 г. (Монин,Сорохтин, 1981).
Несколько позже появилась экспериментальная работа У. Отани, А.Рингвуда и В. Хабберсона (Ohtani et al., 1984), показывающая, что под влиянием высокихдавлений происходит образование эвтектических сплавов железа с его окисью Fex⋅FeO1−x,также сопровождающихся возникновением сильных эффектов уплотнения. Полученныерезультаты показывают, что формирование состава “ядерного” вещества с большимобъемным эффектом, возникающим под влиянием высоких давлений, должно идти полинии образования эвтектического сплава Fex·FeO1−x с наименьшим мольным объемом.Предположение о том, что дифференциация мантийного вещества развиваетсятолько в нижней мантии, косвенно подтверждается и некоторыми геофизическимиданными.
Так, на глубинах от 1800–2000 до 2900 км заметно возрастает затуханиесейсмических колебаний, а фактор добротности Qµ для продольных волн, как это видно изрис. 2.20, на этом интервале глубин падает приблизительно от 500 до 115 вблизиповерхности ядра (Teng, 1968). Выделяется нижний слой мантии D'' и по затуханиюсобственных колебаний Земли, а фактор добротности в нем уменьшается почти в 10 раз(Жарков и др., 1974).
Отмеченная аномалия настолько отчетливо проявляется, что авторыупомянутой работы даже предложили называть слой D'' нижней мантии второйастеносферой Земли. С точки зрения рассматриваемого механизма дифференциацииземного вещества сравнение нижнего слоя мантии с астеносферой вполне оправдано, таккак в зоне выделения жидкой фазы (эвтектического расплава Fe·FeO) естественно ожидатьи резкого снижения эффективной вязкости вещества. Более того, по динамическимособенностям отраженных сейсмических волн от поверхности ядра (Берзон и др., 1968;Берзон, Пасечник, 1972) был выделен сравнительно тонкий пограничный слой толщинойвсего около 20 км, названный нами слоем Берзон, в котором механическая жесткостьвещества нижней мантии с глубиной последовательно уменьшается практически до нуля.Приведенный факт свидетельствует, что мантийное вещество в этом слое постепенноприобретает свойства маловязкой жидкости, причем без плавления силикатов.Рассмотрим теперь, как за счет диффузии меняется со временем концентрациятяжелой фракции (окислов железа) в кристаллах силикатов.
Проследим для этого за однимиз силикатных кристаллов, опускающихся вместе с нисходящим конвективным потокомиз верхней мантии в нижнюю к поверхности ядра. После пересечения критическогоуровня с внутренней стороны граней кристаллов концентрация окиси железа FeO начнетуменьшаться и в каждый момент времени будет определяться значением предельнойконцентрации насыщенного раствора окиси железа в силикатах при существующих внижней мантии давлениях и температурах. В процессе опускания кристалла черезнижнюю мантию, т.е.
за время порядка десятков миллионов лет, изменения концентрацииокислов железа могут распространяться в глубь кристаллической решетки лишь на оченьнебольшие расстояния. Объясняется это тем, что коэффициенты диффузии в силикатахпри давлениях, превышающих мегабар, и температурах значительно более низких, чемтемпература плавления силикатов, должны быть очень маленькими, по-видимому,порядка 10–21–10–22 см2/с.По мере приближения мантийного вещества в нисходящем конвективном потоке кповерхности земного ядра, доля окислов железа, диффундировавших из кристаллов изерен силикатов в межгранулярные пространства, все увеличивается. При этом жидкоесостояние внешнего ядра говорит о том, что и в межгранулярных пространствах“ядерное” вещество, т.е.
Fe2O, также должно находиться в расплавленном виде.Следовательно, жесткие связи, действующие между кристаллами силикатов в низахмантии, с приближением к ядру постепенно ослабевают. С этим явлением и связанорезкое уменьшение сейсмической добротности мантийного вещества в слое D'' и особенно107в слое Берзон. Как только вблизи земного ядра отдельные выделения расплавленнойокиси железа Fe2O сливаются между собой в единую систему связанных друг с другомжидких пленок и включений, обволакивающих отдельные кристаллы и зерна силикатов,начинается дезинтеграция мантийного вещества.Очевидно, что под нисходящими конвективными потоками, т.е.
под болеетяжелыми участками мантии, обязательно должны возникать мантийные выступы,вдавленные в вещество ядра, а под восходящими потоками, наоборот, должнынаблюдаться подъемы поверхности ядра, как это изображено на рис 4.6. В середине 80-хгодов (Morelli, Dziewonski, 1987) путем сейсмической томографии ядра были полученыдоказательства реальности этого вывода: такие неровности на границе мантия–ядродействительно существуют и перепады рельефа в них достигают ± 6 км (см. рис. 2.10).Рис.4.6.
Схема конвективных течений вблизи границы мантия−ядро и формирование восходящих потоков вмантии (Сорохтин, 1979)Крупные неровности на подошве нижней мантии и большие перепады плотностимежду “ядерным” и мантийным веществом (около 4 г/см3) должны приводить кпоявлению в корнях нисходящих мантийных потоков значительных растягивающихнапряжений, достигающих, по нашим оценкам, порядка 10 кбар (Сорохтин, 1974).Благодаря таким напряжениям на подошве мантии под нисходящими потоками ипроисходит окончательный распад поликристаллического мантийного вещества наотдельные кристаллы и гранулы, взвешенные в расплаве Fe·FeO (Fe2O), с образованиемагрегатного состояния, напоминающего собой “магматическую кашу”.
При этомвыделившаяся ранее из кристаллов мантийного вещества окись одновалентной фазыжелеза (“ядерное” вещество) переходит в земное ядро, обеспечивая постепенный рост егомассы. Этим явлением, по-видимому, следует объяснять и происходящую в пограничномслое Берзон постепенную потерю жесткости мантийным веществом с его переходом наповерхности земного ядра в эффективно-жидкое состояние (Берзон и др., 1968; Берзон,Пасечник, 1972). Важно еще раз отметить, что описанные здесь процессы выделения измантии “ядерного” вещества развиваются без плавления силикатов.Растекание распавшегося мантийного вещества из-под корней нисходящих потоковв стороны восходящих конвективных потоков, казалось бы, должно было приводить квыравниванию рельефа земного ядра.
Однако такое выравнивание рельефа в условияхконвектирующей мантии постоянно компенсируется опусканиями на эти уровни всеновых и новых порций свежего мантийного вещества и подъемом уже прошедшегодифференциацию вещества в областях развития восходящих потоков. В результате награнице между мантией и ядром устанавливается некоторое равновесное движениедезинтегрированного мантийного вещества, связывающее мантийные конвективныепотоки в единые замкнутые ячейки.В восходящих конвективных потоках мантийного вещества развиваются процессы,противоположные описанным выше.
Под влиянием всесторонних давлений извсплывающей массы вещества постепенно отжимается в ядро бóльшая частьрасплавленной окиси железа. При этом силикатные кристаллы и зерна благодаряразвивающимся в них пластическим деформациям и процессам межгранулярнойдиффузии вновь постепенно спаиваются между собой в “сплошную” среду. Однако всоставе силикатов, прошедших дифференциацию, уже меньше содержится окислов108железа, чем в исходном мантийном веществе. Поэтому средняя плотность мантийноговещества в восходящих мантийных потоках всегда оказывается заметно меньшей, чем внисходящих потоках.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
