Глава 04. ПРОЦЕСС ВЫДЕЛЕНИЯ ЗЕМНОГО ЯДРА (1119267), страница 7
Текст из файла (страница 7)
С этого же времени уЗемли возникло и геомагнитное поле современного типа (см. рис. 4.4).Судя по современному значению скорости изменения эволюционного параметраЗемли х&≈ 0,657·10–10 лет–1, можно определить, что в настоящее время из мантии в ядропереходит около 1,5·1017 г/год, или 150 млрд т/год “ядерного” вещества (Fe2O), т.е.приблизительно 131 млрд т/год металлического железа. В позднем архее, около 2.9 млрдлет назад, в год выплавлялось приблизительно 1,65 трлн тонн металлического железа.1114.5 Эволюция химического состава мантииРассматривая эволюцию химического состава мантии Земли, мы, прежде всего,будем интересоваться составом конвектирующей мантии.
В протерозое и фанерозое послеокончания процесса формирования молодого земного ядра понятия “конвектирующаямантия” и просто мантия Земли полностью совпадают. Однако в архее это было не так.Под конвектирующей мантией в архее следует понимать только участки земной оболочки,прошедшие зонную дифференциацию земного вещества и охваченные конвективнымитечениями. В раннем архее конвектирующая мантия была еще сравнительно тонкой ивероятнее всего существовала в виде кольцевой геосферы под экваториальным поясомЗемли. Только к самому концу архея конвектирующая мантия расширилась до размеровсферической оболочки Земли, а ее масса стала максимальной.
В дальнейшем, послевыделения земного ядра, масса мантии стала несколько уменьшаться за счет роста самогоядра (рис. 4.9).Рис. 4.9. Эволюция Земли: 1 – масса земного ядра (в архее – массы выделившегося из мантии “ядерного”вещества); 2 – масса конвектирующей мантии; 3 – масса Земли (5,977·1027 г)Надо еще учитывать, что в момент образования земного ядра, около 2,6 млрд летназад в конвектирующую мантию произошло добавление вещества бывшей “сердцевины”Земли с первозданными концентрациями в нем железа, его окислов (13,1 и 22,8 %),сидерофильных элементов, сульфидов халькофильных металлов и других рудныхэлементов, в том числе платиноидов.
Прямыми свидетелями этого явления служатуникальные дифференцированные интрузии основных и ультраосновных породраннепротерозойского возраста, внедрившиеся в раннем протерозое во многие древниещиты. Наиболее яркими и классическими комплексами этого типа являются богатыеплатиной, кобальтом, никелем, медью и другими рудными элементами расслоенныйинтрузивный массив Бушвельда в ЮАР, интрузия Великой Дайки в Зимбабве, внедренияноритов Садбери в Канаде, а у нас в России − габбро-норитовый комплекс Печенга иПанская интрузия на Кольском полуострове.
Подчеркнем, что интрузивные образованиятаких типов со столь высокими концентрациями рудных элементов никогда более, ни дораннего протерозоя, ни после него, не возникали.Очевидно, что удаление железа, его соединений и других сидерофильныхэлементов из исходного земного вещества в зоны сепарации тяжелых фракций, с ихдальнейшим переходом в образовавшееся земное ядро, а легкоподвижных и литофильныхэлементов в земную кору, гидросферу и атмосферу должно было сопровождатьсясущественными изменениями химического состава конвектирующей мантии. При этомудаление из мантийного вещества тяжелой фракции (“ядерного” вещества) должно былонеизбежно приводить к относительному возрастанию концентраций остающихсяэлементов и соединений.112Так, в раннем архее после начала действия процесса зонной дифференциации иудаления из конвектирующей мантии почти всего железа, а в позднем архее изначительной части его окиси, содержавшихся в первичном земном веществе (сконцентрациями около 13 и 23%), содержания других элементов и соединений востаточной (конвектирующей) мантии резко повысились приблизительно на 20–30 %,однако после добавления в мантию первичного вещества из бывшей сердцевины Земли,их концентрация вновь снизилась (рис.
4.10). В протерозое и фанерозое, т.е. после началафункционирования бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества,благодаря продолжающемуся переходу железа и его окислов в ядро, остаточнаяконцентрация малоподвижных и наиболее распространенных элементов и соединений вмантии (кривая 1) плавно повышалась. Суммарная же концентрация халькофильных исидерофильных элементов в мантии протерозоя и фанерозоя, наоборот, плавно снижалась(кривая 4). По близкой зависимости в послеархейской мантии менялись концентрацииникеля, золота, платиноидов, сульфидов железа, меди и некоторых других элементов,которые также постепенно переходили в земное ядро.Рис.
4.10. Эволюция химического состава конвектирующей мантии в относительных концентрациях (заединицу принята концентрация данного элемента в первичном веществе Земли): 1 – SiO2, TiO2, MgO, CaO,Al2O3; 2 – H2O; 3 – K2O; 4 – Ni и другие сидерофильные и халькофильные элементы и соединения:FeS, (Fe,Ni)S, CuFeS2, Co, Cr, Pt, Pd, Os, Ir, Au; 5 – FeO; 6 – Fe; 7 – U; 8 – Th; 9 – Fe3O4.Подставляя в значения относительных содержаний элементов и соединений,приведенных на рис. 4.10, значения их исходных концентраций в первичной Земле изтабл.
2.1, теперь можно определить содержания этих элементов и соединений в процентах(рис. 4.11).Рис. 4.11. Эволюция химического состава конвектирующей мантии по главным петрогенным элементам исоединениям113В архее, после начала процесса зонной дифференциации земного вещества около4 млрд лет тому назад, содержание металлического железа в конвектирующей мантии (надзонами сепарации железа) должно было быстро снизиться до равновесной концентрацииэтого металла в силикатных расплавах перегретой верхней мантии.
Из-за слабойсмесимости таких расплавов и большой разности их плотностей, можно предполагать, чтов течение бóльшей части архея концентрация металлического железа в конвектирующеймантии того времени была очень низкой (близка к нулю).
Хотя иногда свободное железовсе-таки встречается в древних базальтах, например, на о. Диско в Западной Гренландии.Одновременно с этим, суммарная концентрация двухвалентной окиси железа вмантии раннего архея должна была достигать 26–27 %. Однако из-за большой плотностифаялита, главного носителя FeO, (4,3 г/см3) и его сравнительно низкой температурыплавления (1100–1200 °С), весьма вероятно, что в условиях перегрева верхней мантии,превышавшего в раннем архее 1600 °С (см. рис. 4.2), окислы железа в бóльшей мереконцентрировались в низах конвектирующей мантии.
Тем не менее, в коматиитах ибазальтах раннего архея суммарная концентрация окислов железа все-таки обычнопревышает 10 %, а иногда достигает 15–20 % и даже 27 % (Юдин, 1980).В позднем архее, около 2,8 млрд лет назад, средняя концентрация металлическогожелеза в конвектирующей мантии стала возрастать и к концу архея уже достигла уровня5,5%. Это было связано с тем, что именно в конце архея в конвектирующую мантиюпоступило большое количество первичного земного вещества, всплывшего тогда вверхние этажи мантии из бывшей “сердцевины” Земли (см.
рис. 4.3). Однако в протерозоеконцентрация металлического железа в мантии вновь стала снижаться. Зависимостьизменений концентраций железа и его окислов в мантии на послеархейских этапахразвития Земли можно определить по основным реакциям образования “ядерного”вещества. Так, в протерозое (как и в позднем архее на интервале 3,2 и 2,6 млрд лет)образование этого вещества шло по реакцииFeO + Fe → Fe·FeO.(4.3)При этом на каждые 56 весовых частей металлического железа и 72 части егодвухвалентной окиси возникало 128 весовых частей “ядерного” вещества.Количественное решение задачи об эволюции концентрации свободного железа вмантии приводит к важному выводу: металлическое железо в мантии могло сохранятьсяприблизительно только до 500 млн лет назад. Этот расчет получен исходя изпредполагаемого состава земного ядра и принятых концентраций двухвалентного итрехвалентного железа в современной мантии (см. табл.
2.1). Найденное времяисчезновения свободного железа из мантии близко совпадает с возрастом главногобиологического рубежа в развитии высокоорганизованной жизни на Земле − с рубежоммежду протерозоем и фанерозоем (около 545 млн лет назад). Полученное совпадениепримечательно, и его нельзя считать случайным. Действительно, рассматриваемоесобытие исчезновения металлического железа из мантии и рифтовых зон Земли, вкоторых до этого оно контактировало с океаническими водами, предопределилорадикальное изменение восстановительного потенциала во внешних оболочках Земли:ведь свободное железо − главный химический реагент, активно поглощавший кислород изгидросферы (и атмосферы) в течение всей докембрийской истории развития Земли.
Лишьпосле почти полного исчезновения металлического железа из конвектирующей мантии вземной атмосфере смог накапливаться кислород, вырабатываемый растениями (ифотодиссоциацией паров воды) в количествах, достаточных для появления и нормальногофункционирования животных форм на Земле (Сорохтин, 1974).После исчезновения из мантии металлического железа образование “ядерного”вещества в нижней мантии уже происходило по другой реакции:2FeO → Fe·FeO + O.(4.4)114Выделяющийся по этой реакции кислород выше уровня существования устойчивыхрастворов окислов железа с силикатами (см. раздел 4.3) вновь связывается с окисламижелеза, формируя магнетитовую компоненту мантии:3FeO + O → Fe3O4.(4.5)Поэтому до полного окисления двухвалентного железа в мантии образование “ядерного”вещества должно будет происходить по следующей суммарной реакции: 5FeO → Fe2O+ Fe3O4, при которой на каждые 360 весовых частей двухвалентной окиси железавозникает 128 частей “ядерного” вещества и 232 части магнетита.Вторая важная для жизни на Земле ситуация возникнет, когда все двухвалентноежелезо окажется окисленным до стехиометрии магнетита (окись трехвалентного железане устойчива при высоких давлениях и переходит в более плотную модификациюмагнетита 3FeO + 3Fe2O3 → 3Fe3O4 + O).
Такая критическая обстановка должна произойтив будущем через 600 млн лет. Поэтому на третьем этапе действия бародиффузионногомеханизма дифференциации Земли образование “ядерного” вещества должно пойти пореакции распада магнетита с выделением большого количества кислорода2Fe3O4 → 3Fe·FeO + 5O.(4.6)Обратим внимание на еще один интересный и важный вывод, определяющийпонимание путей дальнейшего развития жизни на Земле. После полного окисления всегомантийного железа до фазы магнетита, освобождающийся при формировании “ядерного”вещества кислород уже не будет более задерживаться в конвектирующей мантии, а станетпоступать в гидросферу и атмосферу Земли. Начиная с этого момента парциальноедавление кислорода в атмосфере станет существенно возрастать (Сорохтин, 1974), что,безусловно, губительным образом скажется на всей наземной жизни, и лишьограниченная растворимость кислорода в воде позволит ей ненадолго сохраниться тольков пучинах вод мирового океана.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
