Общая-геохимия.-Иркутск-2019 (1) (856215), страница 20
Текст из файла (страница 20)
На сегодняшний день достаточно распространенными разбавителеми железа во внешнем ядре рассматриваютсяводород или сера. Так, расчёты показывают, что смесь 87 % железа + 11 % серы + 2 % никеля соответствует плотности внешнего ядра,она начинает плавиться уже при 1000 °С, оказываясь полностью расплавленной при 1400 °С. Таким образом, присутствие серы во внешнем ядре способно существенно понизить его температуру плавления.Этим удается объяснить наличие более холодного, но жидкого внешнего ядра при более горячем, но твердом внутреннем ядре.С точки зрения геофизики наиболее предпочтительными легирующими компонентами железного ядра являются сера, кремнийи кислород. Космохимические оценки подтверждают, что ядродолжно содержать около 2 мас. % S, а экспериментальные данныесвидетельствуют [Hidden carbon in Earth’s … , 2014], что структуравнутреннего ядра согласуется со свойствами Fe-карбидов. Недавниеисследования физико-химических свойств карбидов железа[Prescher, Prakapenka, 2015] показали, что они являются вероятными фазами во внутреннем ядре, так как они наиболее точно отражают наблюдаемые параметры внутреннего ядра (плотность, VP и VS).По современным оценкам главными кандидатами на роль легкого элемента в жидком ядре считаются Ni, Si и O [Литасов, Шацкий, 2016b].
Наиболее обоснованной на сегодняшний день являетсямодель ядра Земли с содержаниями (мас. %): Si = 5–6; O = 0,5–1,0;S = 1,8–1,9; C ≈ 2,0, при этом во внутреннем ядре может преобладать карбид Fe7C3 [Литасов, Шацкий, 2016a].107Последние эксперименты по измерению скорости звука вжелезо-никеливых сплавах с примесью кремния (при 166 ГПа и2800 °С) доказывают, что кремний является одним из основныхэлементов – около 5 % по весу во внутреннем ядре Земли [Soundvelocity of iron-light … , 2016]. Таким образом, система Fe–Ni–S занимает важное место в проблематике состава и физических свойствядра Земли. Определение состава ядра Земли помогает понять природу магнитных и электрических полей, гравитационные характеристики, величину теплового потока, а также имеет важнейшеезначение для геодинамики.Рост внутреннего ядраВнутреннее ядро растет примерно на миллиметр каждый год иразделено на восточное и западное полушария.
Эти полушария кристаллизуются по-разному и имеют различные кристаллическиеструктуры [Alboussière, Deguen, Melzani, 2010]. Считается, что западное полушарие кристаллизуется быстрее, чем восточное полушарие [Deguen, 2012]. Теоретически восточное полушарие внутреннегоядра может плавиться. Полушария на поверхности внутреннего ядраразделены резкими границами, которые размываются с глубиной,указывая на очень медленное вращение внутреннего ядра.Внутренний рост ядра создает плотный, богатый железомF-слой. Чтобы F-слой истощался более легкими элементами инасыщался железом с более низкими скоростями P-волн, должнопроисходить одновременное плавление и затвердевание внутреннего ядра.
Для этого необходимо неравномерное изменение температуры на внутренней границе ядра. Одним из объяснений этой неоднородности температуры является процесс смещения внутреннегоядра, когда приподнимается одна сторона внутреннего ядра, способствуя локальному плавлению, а противоположная сторона погружается, способствуя локальному затвердеванию (рис. 35).
Поскольку одна сторона внутреннего ядра плавится, а другая стороназатвердевает, внутреннее ядро как бы смещается вбок. Ситуацияаналогична альпийскому леднику, где затвердевание (накоплениельда в этом случае) происходит на одном конце, таяние происходитна другом, а поток ледника несет лед от места его накопления доместа его таяния.108Рис.
35. Модель роста внутреннего ядра(по: [Alboussière, Deguen, Melzani, 2010])Синий слой представляет собой плотный слой, подобный наблюдаемому сейсмически Fслою, формируется над внутренним ядром в результате локального плавления кристаллическоговнутреннего ядра. Показан процесс гетерогенного роста внутреннего ядра, который является результатом плавления и затвердевания в противоположных полушарияхАнизотропия внутреннего ядраВ конце прошлого века в результате мнгочисленных сейсмологических наблюдений некоторыми исследователями [Morelli,Dziewonski, Woodhouse, 1986; Song, Helmberger, 1993] была обнаружена анизотропия внутреннего ядра, при которой распространение сейсмических волн происходит вдоль полярной оси Земли на1 % быстрее, чем в экваториальном направлении.
Вероятное объяснение анизотропии внутреннего ядра связывают с пластическойдеформацией железа (основной компоненты ядра), обнаруженной вэкспериментах при давлениях свыше 2 Мбар [Vinnik, Romanowicz,Breger, 1994].В 2015 г. анализ сейсмических волн позволил группе геологовсделать вывод, что ядро у Земли не двухслойное, а трёхслойное[Wang, Song, Xia, 2015].
Согласно последним сейсмическим данным, твердое внутреннее ядро Земли состоит в свою очередь издвух частей (рис. 36). Кристаллы железо-никелевой части ядра, каки положено, ориентированы в направлении север-юг, вдоль линиймагнитного поля Земли. А кристаллы вновь обнаруженного ядра109магнитны и расположены перпендикулярно – в направлении западвосток, а не с севера на юг (рис.
36, б). Эта ориентация не сопадаетни с осью вращения Земли, ни с магнитным полем. Ученые полагают, что определенное геологическое событие около 500 млн летназад вызвало развитие этой центральной части внутреннего ядра.Рис. 36. А – Схематическая структура ядра Земли на основемногочисленных сейсмологических данных [Wang , Song, Xia, 2015];б – 3D-модель внутреннего ядра ЗемлиВертикальные полосы обозначают амплитуду анизотропии сейсмических волн в полярном и экваториальном направлениях: 1 – низкая скорость, слабое затухание; 2 – высокая скорость, сильное затухание.
Модель отображает низкую VP в слое F, изотропную структуру верхнейчасти внутреннего ядра в разных полушариях и наличие дополнительной сердцевины во внутреннем ядре [Deuss, 2014; Souriau, Calvet, 2015].Граница ядро – мантияПоверхность ядра (раздел Гутенберга) расположена на глубине 2891 км.
Было установлено, что в мантии до 200 км от поверхности ядра (слой D″) происходит скачкообразное увеличениеплотности с 5,55 до 9,9 г/см³ (см. рис. 30, 31), сопровождающеесярезким уменьшением скорости распространения продольных волн(с 13,7 км/с в нижней части мантии до 8 км/с в верхней части ядра),и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечныеволны [Dziewonski, Anderson, 1981]. Сейсмическая томографияземного ядра показала [Morelli, Dziewonski, 1987, Liu, Gu, 2012],что его поверхность неровная и на ней существуют отклонения отравновесной фигуры эллипсоида вращения (рис. 37).110Рис. 37.
Рельеф земного ядра по данным сейсмической томографииЗемли (по: [Morelli, Dziewonski, 1987; Steinberger, Torsvik, 2012])и схематичная 3D-модель (по: [Becker, 2010]) поверхности ядра(красные-менее плотные и синие участки – более плотные)Вероятнее всего, выявленные термические и композиционныенеоднородности (депрессии) в подошве нижней мантии мощностьюоколо 100 км ответственны за крупномасштабные тектоническиедвижения в мантии Земли (см.
главу 8.1.4): подъем диапиров (суперплюмов) и формирование вулканических горячих точек [Сорохтин, Ушаков, 2002].Легкие элементы концентрируются в этих депрессиях на границе ядро – мантия, попадая туда из внутреннего ядра (рис. 38). Благодаря данному эффекту, возможно, и образуется зона сверхнизкихсейсмических скоростей (ULVZ), которая фиксируется сейсмологами.
Считается, что данная зона отражает неравномерное поступление энергии ядра в область мантии [Modelling of thermochemicalplumes … , 2008]. Поскольку температуры в ядре значительно превышают температуры мантии, процесс отвода тепла от границы ядро – мантия определяется либо чрезмерным накоплением тепла вядре, либо инициируется погружением холодных субдукционныхплит (рис. 38, см. главу 7.1.7), но, так или иначе, тесно взаимосвязан с геодинамическими процессами на поверхности [Добрецов,2010]. Предполагается, что данный слой порождает огромные,направленные к поверхности Земли сквозьмантийные тепломассопотоки, называемые плюмами [Morgan, 1972].
Они могут проявляться на планете в виде крупных вулканических областей, как,например, на Гавайских островах, в Исландии и других регионах(см. рис. 37, 38). Особенности динамики вещества на границе ядромантия важны для понимания не только изменений скорости сейсмических колебаний в мантии, но и перемещений тектоническихплит, приводящих к землетрясениям и развитию земного рельефа.111Si, S, O, C, HабРис. 38. Схемы генерации суперплюмов:а – плюмогенез в общем разрезе Земли [Maruyama, Santosh, Zhao, 2007]; б – разрезграницы ядро – нижняя мантия и формирование зоны сверхнизких сейсмическихскоростей в слое D′′ (по [Garnero, 2000])Несмотря на обилие высокоточных геофизических измерений[Helffrich, Kaneshima, 2010; Souriau, Calvet, 2015], многочисленныеэксперименты при сверхвысоких давлениях и температурах [Li, Fei,2014], накопленный объем изотопно-геохимических и космохимических данных [Hf-W chronology of the accretion … 2009; CoreMantle Partitioning … , 2014], вопросы состава и строения ядраостаются далекими от однозначных решений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
