Общая-геохимия.-Иркутск-2019 (1) (856215), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Располагаясь в центре планеты, ядро имеет радиус 3480 км,что составляет более половины радиуса Земли.На основе анализа скорости и затухания сейсмических волнбыло установлено, что ядро имеет слоистую структуру: внешнееядро находится в жидком состоянии, а внутреннее – в твердом(рис. 30, 31). Температура границы раздела жидкость – твердое вещество между внутренним и наружным ядром достигает 6000 °С,как на поверхности Солнца [Boehler, 2000; Melting of Iron … , 2013].Некоторые исследователи на основании теоретических расчетовоценивают температуру внутреннего ядра выше 7000 °С [Anderson,,1989; Stixrude Wasserman, Cohen, 1997]. Внешнее ядро расположено в интервале глубин 2900–5150 км.Скоростные и физические параметры [Короновский, 2006, ПланетаЗемля … , 2004, Сорохтин, Ушаков, 1991]:● скорость продольных волн – 8,06–10,36 км/с;● скорость поперечных волн – 0 км/с;● плотность вещества – 9–12,5 г/см3;● температура – 2500–5000 °С;● давление – 1340–3300 кбар (1 бар = 0,987 атм).Внутреннее ядро имеет радиус 1225 км и занимает интервалглубин (по радиусу Земли) 5150–6371 км.
Вариации значений основных параметров [Короновский, 2006, Лобковский, Никишин,Хаин, 2004, Hemley, Mao, 2001]:● скорость продольных волн – 11,03–11,26 км/с;● скорость поперечных волн – 3,5–3,67 км/с;100● плотность вещества – 12,0–14,4 г/см3;● температура – 3500–6000 °С;● давление – 315–370 ГПа.Температура внутреннего ядра выше температуры плавленияжелеза.
Однако, в отличие от внешнего ядра, внутреннее ядро неявляется жидким или даже расплавленным. Давление и плотностьво внутреннем ядре настолько велики, что некоторые геофизикипредпочитают интерпретировать внутреннее ядро не как твердоетело, а как плазму, ведущую себя как твердое тело [Absolute equation of state … , 2002].
Существует также точка зрения, что внутреннее ядро находится в специфическом состоянии, схожем саморфным, и его упругие свойства обусловлены именно давлением[Stixrude, Cohen, 1995]. Имеются также сейсмологические данныедля дифференциального вращения между внутренним ядром иостальной Землей [Song and Richards, 1996; Su, Dziewonski, Jeanloz,1996].Рис. 30. Профили распределения основных физических параметровв недрах Земли (по: [Dziewonski, Anderson, 1981] с изменениями)101Рис. 31.
Разрез Земли, показывающий её слоистую структуруи плотность на разных глубинах [Попов, 2018]Состав ядраСостав земного ядра является фундаментальной проблемой вгеохимии, которая лежит в основе понимания происхождения, эволюции и динамики планеты. Считается, что внешнее ядро сложеножелезом или железом с никелем с добавками некоторых лёгкихкомпонентов (рис. 32). В качестве лёгких компонентов рассматриваются кремний [Ringwood, 1975], сера, кислород [Сорохтин, 2002],никель [Mc Donough, 2003], содержание которых может составлять5–15 % [Справочник по геохимии, 1990; Хаин, Короновский, 2007].Прямые сведения о составе ядра отсутствуют, поэтому для егоопределения используются косвенные данные из нескольких источников (состав метеоритов, сейсмология, петрология и геохимия,ксенолиты мантийных пород, термодинамическое моделирование).На сегодняшний день для земного ядра наиболее близким посоставу является вещество железных метеоритов, т.
е. реликтовядер протопланет и астероидов. Учитывая то, что ядро земли претерпело более сложную и длительную эволюцию, чем метеориты,которые могли образоваться в гораздо меньших телах, а значит придругих физико-химических параметрах, последние должны отличаться по составу от вещества земного ядра. Для того чтобы смоде102лировать состав ядра, нужно подобрать такое вещество, котороепри соответствующих давлениях обладало бы установленной плотностью, а также нужно объяснить, почему внутреннее ядро остаетсятвердым, несмотря на его более высокую температуру по сравнению с внешним ядром. Современные представления о составе ядраоснованы на изучении метеоритов (рис. 33) и отражены в хондритовой модели Земли (табл.
6) Согласно этой модели валовый составгомогенной Земли до ее дифференциации на оболочки был близок ксоставу метеоритов-хондритов. Другими словами, если из первичного хондрита убрать силикаты, которые впоследствии перешли вкору и мантию, то ядро должно состоять преимущественно из железа.Рис. 32. Предполагаемый состав геосфер Земли и плотностьна разных глубинах [http://files.school-collection.edu.ru]Более того, для генерации магнитного поля все ядро должнобыть хорошим проводником, а другого достаточно распространенного на Земле элемента, кроме железа, просто не существует.Обобщение сейсмологических и геохимических данных, а такжерезультатов экспериментального изучения соответствующих систем при высоких Р-Т параметрах приводит к заключению, что ядро Земли состоит из железа на 80 мас.
% или более [Treatise on Geochemistry, 2014].103абРис. 33. Фрагменты метеоритов:а – метеорит-хондрит H5 (Чили), на заднем фоне миллимитровая линейка;б – метеорит (палассит) из кратера Бренхам (Канзас) размером 4,5×3 смТаблица 6Химический состав Земли и оболочек по хондритовоймодели, мас. % [Treatise on Geochemistry, 2014]ЭлементFeOSiMgNiCaAlSCrNaPMnCHTotalВаловый состав ЗемлиМантияЯдро32,029,716,115,41,821,711,590,640,470,180,070,080,070,0399,886,26442122,40,202,532,350,030,260,270,0090,100,010,0199,8385,50605,2001,90,900,200,030,200,0699,97С другой стороны, сейсмические исследования дают точныйразмер ядра [Treatise on Geochemistry, 2014], а из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения.
Так как плотность ядра примерно на5–10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чемжелезные метеориты. Единственными подходящими на эту ролькомпонентами в современной мантии Земли являются окислы же104леза FeO и Fe2O3, суммарное содержание которых в мантийном веществе сейчас достигает приблизительно 8 % [Treatise onGeochemistry, 2014; Hf-W chronology of the accretion … , 2009].Таким образом, теоретически внешнее ядро представляет собой расплав железа с кислородом в соотношении 2:1, т. е.
составрасплава Fe2O. Другим важным компонентном ядра является никель (~ 5 мас. %), что в целом согласуется с сейсмическими данными [Jeanloz, 1990].Формирование внешнего ядра, возможно, происходит за счетдифференциации вещества мантии, и ее можно представить реакциейFe2(SiO4) P(2900 км) Fe2O (расплав.) ↓ + SiO2 ↑ + O ↑.Внутреннее ядро является твердым, формируется по реакцииFe2O (расплав.)P(5100 км)2 *Fe (тв.)+ O ↑.Определить состав ядра можно рассчитав первичный составЗемли и вычислив, какая доля элементов находится в других геосферах. Существуют определенные методы оценки состава ядра погеохимическим и космохимическим данным [Hf-W chronology ofthe accretion … , 2009].Несмотря на расчёты и эксперименты, имеются очень ограниченные данные о физических свойствах жидкого железа при высоких давлениях и температурах [Li, Fei, 2014].
Сейчас хорошо известно, что практически все известные в природе минералы претерпевают полиморфные превращения при высоких давлениях и температурах. Например, на глубинах переходной зоны (400–650 км) инижней мантии (650–2900 км) оливин преобразуется в минерал соструктурой шпинели, пироксен и гранат – в минералы со структурой ильменита и перовскита (см. рис. 42, 43). Железо имеет несколько полиморфных превращений. При низких давлениях устойчива модификация α-Fe, которая при P > 100 кбар преобразуется вплотноупакованную фазу ɛ-Fe, устойчивую при высоких температурах вплоть до 3 Мбар (рис.
34). Предполагается, что как внешнее,так и внутреннее ядро сложены в основном ɛ-фазой Fe, но в разныхагрегатных состояниях. Физические свойства железа (плотность,температура плавления) при Р-Т параметрах ядра моделировалисьэкспериментальными и теоретическими методами [Anzellini, 2013].Довольно надежно установлено, что на границе ядро-мантия(1,4 Мбар) Тпл (ɛ-Fe) = 2400–3000 °С.
При этих Р-Т параметрах плот105ность жидкого железа в экспериментах ~ 12,8 г/см³, что на 5–6 %превосходит плотность внешнего ядра (12,14 г/см³) по сейсмологическим моделям. На границе внешнее – внутреннее ядро (3,5 Мбар)Тпл (ɛ-Fe) = 4700–5700 К. Плотность твердой ɛ-Fe при 3,3 Мбар и5100 °С оценена равной 13,0 г/см³, что на 2–3 % больше, чем плотность внутреннего ядра (по сейсмологическим моделям) на его границе с внешним.Рис. 34.
Фазовые диаграммы состояний железапри высоких давлениях [Boehler, 1993]Таким образом, рассчитанная из сейсмических измеренийплотность внутреннего и внешнего ядра не совпадает с соответствующей экспериментально определяемой плотностью фаз железапри данных РТ-условиях. Установленое несовпадение или «дефицит плотности» для внешнего жидкого ядра – 10 % и для внутреннего твердого ядра – 2 %. Поэтому следует предположить, что в состав ядра также входят более легкие элементы.106Наиболее подходящий дополнительный компонент по распространенности и плотности – это никель, возможно образующий вовнутреннем ядре сплав с железом, по аналогии с метеоритами.
Расчетное содержание никеля во внутреннем ядре составляет 10–20 %[Stixrudeet al, 1997].По сравнению с внутренним ядром, на которое приходитсялишь 2 % всей массы Земли, внешнее ядро имеет гораздо бόльшуюмассу (29 %). Плотность внешнего изменяется в интервале 10,0–11,4 г/см3 (см. рис. 31). Лабораторные эксперименты при высокихдавлениях показывают, что при 1400 Кбар, характерных для границы мантии и ядра, плотность чистого железа составляет около11 г/см3, что выше фактической плотности этой части планеты. Таким образом, во внешнем ядре присутствует некоторое количестволёгких компонентов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
