В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 10
Текст из файла (страница 10)
При таком подходе к проблеме получалось, что тепловой поток уменьшился до современного значенияза 25 млн лет. Это число можно считать одним из первых научных определений возраста Земли. Геологи не согласились с этимчислом, так как, по их данным, для накопления наблюдаемых осадочных толщ горных пород требовались по крайней мере сотни миллионов лет. Горячие споры о возрасте Земли продолжались много лет.Таким образом, проблема теплового режима Земли оказалась связанной с проблемой ее возраста.Температурное поле Земли должно характеризоваться большимпостоянством, так как вещество земных недр обладает малой теплопроводностью, а расстояния, которые должно пройти тепло до поверхности Земли, огромны.
Качественно время At выравнивания теплана расстоянии АI можно оценить с помощью следующего размерногосоотношения:А? ~ А/2 • р • ср/ к ,(3.3)где ср — теплоемкость при постоянном давлении.При А/ ~ 6400 км, х = А/p ср = 0,005 см2/с (коэффициент температуропроводности горных пород) At ~ 1012 лет, т.е. намногобольше, чем возраст Земли (~4,5 • 109 лет). Если подсчитать толщину наружной оболочки, откуда возможен отток тепла заAt ^ 4,5 • 109 лет, то она окажется равной А/ ~ 600-900 км. Следовательно, в глубинных недрах планеты (А/ > 900 км) распределение температуры за счет теплопроводности практически остается пока неизменным.СОВРЕМ ЕН Н Ы Е М ЕТОДЫО П РЕДЕЛ ЕН И Я ВО ЗРАСТА ЗЕМ Л ИПроблема теплового потока, а одновременно и возраста Землинашла свое научное решение с открытием радиоактивности (Беккерель). Первую оценку возраста Земли провел Эрнест Резерфордв 1905 г. на основе открытого им закона радиоактивности.
Полученное им число 500 млн лет намного превосходило предполагавшиесяв то время максимальные геологические возрасты.В 1905 г. Стретт (Рэлей) установил неоднородное распределениерадиоактивных источников в Земле. Оказалось, что концентрациярадиоактивности в магматических горных породах намного превосходит ту величину, которую должна иметь Земля для объяснениянаблюдаемого теплового потока. Он предположил, что радиоактивные элементы находятся только в земной коре. Это сразу снялопроблему теплопроводности, которая привела Кельвина к ошибочному выводу.Рэлей установил, что основные магматические породы (базальт,габбро) беднее радионуклидами, чем более легкие кислые гранитныепороды.
Этот факт служит основой теории формирования земнойкоры из вещества мантии и теории распределения температуры внутри Земли.Концентрация тяжелых радиоактивных изотопов в верхних слояхЗемли объясняется тем, что они формировались позже остальныхи имели большие объемы. В силу последнего они выталкивалисьиз плотноупакованных криста;, ^ческих решеток силикатов и вместе с более легкой фракцией всплывали наверх.Измерения возраста горных пород, минералов и метеоритов, а темсамым и Земли, основаны на естественном радиоактивном распадеU238, U235, Rb87, К40.
Природный уран состоит из трех радиоактивных изотопов: U238, U235, U234, распространенность которых соответственно равна 99,27: 0,72; 0,006%. Рубидий состоит из двух изотопов: стабильного Rb85 (72,15%) и /3-радиоактивного Rb87 (27,85%)с Т {/ 2 ~ 5 • 109 лет. Конечным продуктом превращения Rb87 является Sr87. Природный калий имеет изотопы К39 (93,08%), К40(0,012%) и К41 (6,76%). Из них радиоактивным является К40(Т 1/ 2 ~ 1)3 • 109 лет), который распадается двумя путями, образуяпри /3-распаде Са40 (89%) и при захвате электронов Аг40 (11%).Определение абсолютного возраста основано на подсчете количества сохранившихся (материнских) радиоактивных изотопов и конечных (дочерних) продуктов их распада: урана — свинца, рубидия —стронция, калия — аргона.
При этом должны быть соблюдены следующие условия. Во-первых, исследуемый объект должен быть замкнутой системой, т.с. не обмениваться материнскими и дочерними атомами с окружающей средой. Во-вторых, среди дочерних изотопов недолжно быть атомов нерадиогенного происхождения. Эти условия далеко не всегда выполняются, однако были созданы многочисленныеусовершенствованные методы, которые позволяют в ряде случаевуспешно определять возраст горных пород, минералов и Земли.Процесс радиоактивного распада описывается через вероятностьпреодоления потенциального барьера частицами атомного ядра.Энергии их так велики, а размеры ядра так малы, что обычныерТ-условия не влияют на вероятность распада ядра.Скорость распада N ядер определенного сорта пропорциональна ихчислу:d N /d t = - kN ,(3.4)где к — постоянная распада.
Если начальное число ядер N 0, тоинтегрирование дает основное уравнениеN = N 0 • e~kt.(3.5)Период полураспада Т j/2 получается подстановкой в (3.5) N = N0/ 2и t = T i/2Т х п = In 2/к = 0,69315/Л.(3.6)Начальная концентрация N0 изотопа, как правило, неизвестна.Обычно измеряется концентрация D дочернего изотопа. ТогдаD = N 0 - N = N 0 (1 —e~kt) .(3.7)Поделив (3.7) на (3.5), получим уравнение без N0:D = N (e k t- \ ) .(3.8)По известным D и 7Vопределяется возрастt.Возраст Земли нельзя определить, необращаясь к метеоритам.Очевидно, что возраст Земли больше, чем возраст самых древнихпород, для которых он равен ~3 • 109 лет.
Геологические данныеничего не дают для первых миллиардов лет существования Земли.Это связано с тем, что тогда выделение тепла было намного больше,чем теперь. Земная кора еще не выделилась и радиоактивные элементы в среднем располагались глубже. Магматическая активность былаочень высокой, и образовавшиеся было горные породы вновь подвергались расплавлению и переработке.Предполагается, что первичная дифференциация вещества на Земле и вещества метеоритов была одинаковой, так как формированиевсей планетной системы происходило одновременно и по общим законам.
Проведенные многочисленные измерения в железных метеоритах дали возможность определить изотопный состав первичного свинца. Содержащиеся в каменных метеоритах U и Th при распадеобразуют изотопы радиогенного свинца. По отношению радиогенногосвинца к первичному определяется возраст Земли (~4,6 • 109 лет).ТЕМ П ЕРАТУРА В Н Е Д РА Х ЗЕМ ЛИТепловой поток является произведением теплопроводности горных пород на градиент температуры (уравнение 3.1).
Все измеренияпоказывают, что геотермический градиент направлен в глубь Земли,что означает повышение температуры с глубиной. Среднее значениегеотермического градиента около 20°С/км. Однако наблюдаются значительные отклонения от этого значения в различных областях земной поверхности. Различные значения теплового потока коррелируют с различными геологическими структурами.Температуру в недрах Земли можно оценить из следующих соображений. Поскольку grad Т не возрастает с глубиной, то на глубинах 1 ~ 100 км Т не более 2000°С. Более точно Т на этих глубинахможно определить по Т очагов вулканов, находящихся на этих глубинах, которая составляет приблизительно 1200°С.
На глубинах 400 кмпроисходят фазовые переходы минералов MgSi02”Fe2Si0 2 , температура которых равна 1600 ± 50°С.Мантия Земли по отношению к сейсмическим волнам ведет себякак твердое тело, поэтому за верхний предел температур принимается распределение температур около кривой плавления, зависящейот давления. Лабораторные данные по зависимости Т^ силикатов,составляющих мантию, от давления дают Т на границе ядро-мантияпорядка 5 • 103 К (р = 1,4 • 106 бар).Земное ядро находится в расплавленном виде и состоит в основном из железа. Тпл железа при р = 1,4 • 106 бар не более 4600 К.В жидком ядре градиент температуры не может быть выше адиабатического, так как иначе начнется конвекция, которая выравнит температуру. Исходя из этого Т в центре ядра оценивают ~6 • 103К. Такойметод оценки распределения Т в Земле называется методом реперныхточек.т е п л о в о й потокНА К О Н ТИ Н ЕН ТАХ И В О КЕАН АХРаспределение теплового потока в соответствии с различнымигеологическими структурами континентов и океанов представленов табл.
3. Из нее видно, что на континентах наименьший потокнаблюдается на докембрийских щитах и в орогенических областяхпалеозоя, в океанах — в глубоководных желобах и котловинах.Самым удивительным из того, что показали измерения теплового потока, является равенство потока на континентах и океанах. Этоочень трудно объяснить, так как по современным представлениямтепловой поток обусловлен разогревом за счет распада находящихсяв коре радиоактивных элементов. А толщина океанской коры (6 км) в5 раз меньше средней континентальной (30-35 км).Таблица 3Тепловой поток в основных геологических структурахконтинентов и океанов ( по Ботту, 1974)№Геологические подразделенияп /пСреднее значение,мккал/ (см 2 • с)К он ти н ен ты1Докембрийские щиты0,922Последокембрийские неорогенические области1,543Орогенические области палеозоя1,234Орогенические области мезозоя и третичного периода1,925Вулканические области третичного периода (без геотермальных районов)2,16Среднее ..............................................................................................1,55О к еа н ы1Котловины1,282Подводные хребты1,823Глубоководные желоба0,994Другие океанские области1,71Среднее ..............................................................................................1,50Существует несколько гипотез, объясняющих это явление.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
