Глава 04. ПРОЦЕСС ВЫДЕЛЕНИЯ ЗЕМНОГО ЯДРА (1119267), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Возникающая за счет этого в гравитационном поле Землиподъемная (архимедова) сила приводит в конечном итоге в движение конвективныймассообмен в мантии.Диффузия окислов железа в веществе восходящих потоков будет теперьразвиваться в обратном направлении – из межгранулярных пространств в кристаллысиликатов. Одновременно с этим в кристаллах возрастает отношение Fe2O3/FeO, собразованием молекул магнетита Fe3O4 и зонального распределения окислов железа всамих кристаллах.Как было показано в разделе 2.9, вязкость “ядерного” вещества сравнительнонизкая (η ≤ 0,4 П). По оценке Р. Ганса (Gans, 1972), динамическая вязкость вещества вовнешнем ядре вряд ли превышает 0,1–0,01 П.
При такой низкой вязкости и большихперепадах плотности между “ядерным” веществом и взвешенными в нем кристаллами изернами силикатов текущие по поверхности ядра потоки распавшегося на гранулымантийного вещества могут быть стремительными и относительно узкими. В связи же сбольшими перепадами поверхностного рельефа ядра такие потоки должны вызыватьсильную эрозию нижней поверхности мантии (ее подошвы).
В результате этого текущиепод подошвой мантии потоки смеси дезинтегрированного мантийного и “ядерного”вещества должны разбиваться на отдельные струи, подобно рекам текущим “наоборот”,снизу вверх. В этом случае скорость таких струйных течений может достигать метров всекунду.При столь высоких скоростях на эти струйные течения, очевидно, будетдействовать Кориолисово ускорение, отклоняющее их к экваториальной плоскости, адвижение захваченного ими электропроводящего “ядерного” вещества приведет кпоявлению мощнейших электрических токов и магнитных полей.
Поэтому весьмавероятно, что геомагнитное поле Земли обязано своим происхождением именно такимструйным течениям на поверхности земного ядра, замыкающим конвективныймассообмен в мантии. Такой связью геомагнитного поля с конвективными движениями вмантии можно объяснить существующую зависимость частоты перемагничивания поля стектонической периодизацией истории Земли. Кроме того, только этот механизмпозволяет совместить энергетическую модель развития Земли с существованиемгеомагнитного поля. Действительно, в этой модели разогрев земного ядра всегдапроисходит только с его поверхности. Следовательно, распределение температуры в ядредолжно быть ниже адиабатического, а это значит, что в ядре существует устойчиваястратификация, препятствующая возникновению в нем конвективных течений, скоторыми обычно и связывают происхождение магнитного поля Земли в наиболеепопулярных гипотезах геомагнитного динамо.4.4.
Процесс формирования земного ядраКоличественную сторону процесса выделения земного ядра, как и процессдифференциации Земли, удобнее рассматривать начиная с современной ситуации, прикоторой рост ядра происходит благодаря действию бародиффузионного механизмадифференциации земного вещества. Скорость протекания этого процесса прибародиффузионном механизме отделения “ядерного” вещества (Fe2O) от силикатовмантии, очевидно, оказывается пропорциональной разности между концентрациейокислов железа (в пересчете на Fe2O) в мантии С и значением предельной концентрациинасыщения этими же окислами твердых силикатных растворов на подошве мантии С*(см.
раздел 4.3). С другой стороны скорость стекания окислов железа из пограничногослоя на подошве нижней мантии (из слоя Берзон) в ядро, т.е. скорость отделения“ядерного” вещества от мантийного M&c и, следовательно, скорость роста ядра, должна109быть пропорциональной ускорению силы тяжести g на поверхности ядра, величине егоповерхности S и скорости самой бародиффузии kM&c = k (C − C * ) ⋅ g ⋅ 4πRc2 ,(4.1)где С – концентрация окислов железа в мантии (в пересчете на Fe2O); C* – предельнаяконцентрация насыщения силикатов окислами железа на подошве мантии; Rc – радиусрастущего ядра.Для количественной характеристики рассматриваемого процесса дифференциацииА.С. Монин (1977) ввел понятие эволюционного параметра Земли х, определив егоотношением массы земного ядра Мс к суммарной массе “ядерного” вещества в ЗемлеMc,(4.2)x=M ⋅ C0где М – масса Земли; С0 – суммарная концентрация в Земле “ядерного” вещества (железа,его окислов и других тяжелых элементов, переходящих в земное ядро).
Значениепараметра х можно определить по химическому составу современной Земли. Сейчас вземном ядре содержится 1,94·1027 г “ядерного” вещества, в современной мантии ещеосталось около 4,15% Fe2O3 и 4,37% FeO, что в пересчете на эвтектический состав Fe·FeOдает 7,2%, или 0,297·1027 г “ядерного” вещества. Всего же в Земле с учетом концентрацииокислов железа в континентальной коре содержится 2,244·1027 г этого вещества.Следовательно, общая концентрация “ядерного” вещества в Земле С0 = 0,375, асовременное значение эволюционного параметра Земли, который фактически определяетотносительное значение безразмерной массы земного ядра, равно х0 = 0,865.Поскольку в центре Земли ускорение силы тяжести равно нулю, то развитиепроцесса бародиффузионной дифференциации земного вещества могло происходитьтолько после образования в центре Земли зародыша земного ядра.
Возможный сценарийразвития такого процесса рассмотрен в разделе 4.2. Судя по геологическим данным иприведенным выше теоретическим соображениям, процесс формирования зародышаземного ядра с относительной массой xe растянулся почти на 1,4 млрд лет, но к рубежуархея и протерозоя, около 2,6 млрд лет назад, такой зародыш ядра с относительной массой0,543 уже полностью сформировался. После этого времени дальнейший рост ядрапроисходил только благодаря действию бародиффузионного механизма дифференциацииземного вещества, описанного в разделе 4.3.Учитывая же приведенные выше закономерности развития процесса, можноаналитически определить относительную скорость выделения земного ядра x&.
Послеинтегрирования этой скорости находятся и сами значения параметра х на всем интерваледействия бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества: от концаархея, 2,6 млрд лет назад (х = 0,543), до наших дней и даже до далекого будущего.Например, еще через 1 млрд лет х будет равен 0,913.На интервале времени формирования зародыша земного ядра от 4 до 2,6 млрд летназад, т.е.
в архее, действовали другие закономерности. Поэтому аналитическуюзависимость эволюционного параметра Земли от времени следует определять порасчетным массам “ядерного” вещества, выделившегося в кольцевые зоныдифференциации (в слои железистых расплавов). При этом, однако, необходимоучитывать постепенное расширение низкоширотного кольцевого пояса, в котором иразвиваются процессы зонной дифференциации земного вещества (см. раздел 4.2).
Впервом приближении мы выбрали синусоидальный закон расширения активной зоны: 4млрд лет назад такая зона только зарождалась, а к концу архея около 2,6 млрд лет назадона уже расширилась на всю Землю. Зависимость эволюционного параметра Земли х отвремени, или, что то же, кривая изменения безразмерной массы земного ядра, для всейистории развития нашей планеты приведена на рис. 4.7, а зависимость производной x& отвремени или скорости выделения земного ядра – на рис.
4.8.110Возникшая в архее гравитационная неустойчивость Земли, связанная сфункционированием механизма зонной дифференциации земного вещества, как ужеотмечалось, скорее всего привела в конце архея к катастрофическим событиям, врезультате которых все выделившееся до этого “ядерное” вещество достаточно быстропереместилось к центру Земли. Поэтому можно считать, что на рубеже архея и протерозояоколо 2,6 млрд лет назад у Земли сформировалось молодое ядро, а его дальнейший ростпосле этого уже происходил по более спокойному механизму бародиффузионноговыделения окиси одновалентной фазы железа Fe2O. Момент перехода Земли на новыйрежим развития, около 2,6 млрд лет назад, который следовало бы назвать режимомглавной последовательности развития планеты, четко виден на рис.
4.7 и 4.8. К концуархея, т.е. за первые 1,4 млрд лет геологического развития Земли, успело сформироватьсяприблизительно 63 % массы современного ядра, тогда как остальные 37 % выделились запротерозой и фанерозой, т.е. за последние 2,6 млрд лет.Рис. 4.7. Зависимость эволюционного параметра Земли (безразмерной массы земного ядра) от времениРис.
4.8. Скорость изменения эволюционного параметра Земли в единицах 10-10 лет-1, или относительнаяскорость выделения вещества земного ядраТаким образом, по рассматриваемой модели эволюции Земли в архее еще несуществовало земного ядра. Вероятнее всего, вместо него существовал экваториальныйкольцевой пояс тяжелых расплавов железа и его окислов эвтектического состава. Такаяжидкая железо-окисножелезная астеносфера в архее медленно продвигалась вглубьЗемли.
При этом происходило ее постепенное расширение и увеличение мощности. Всоответствии с этим и геомагнитное поле тогда должно было существенно отличаться отсовременного поля. Настоящее ядро у Земли, правда несколько меньших размеров, чемсовременное, сформировалось только на рубеже архея и протерозоя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
