Теории образования Земли

 

Мантия Земли

 

Мантия — часть Земли (геосфера), расположенная непосредственно  под корой и выше ядра. В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне  от 30 до 2900 км.

 

Границей между корой  и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей — от 7 до 8—8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670 км.

 

В начале XX века активно обсуждалась  природа границы Мохоровичича. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такой реакции предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит, и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмических волн изменением состава пород — от относительно лёгких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Это точка зрения сейчас является общепризнанной.

 

Отличие состава земной коры и мантии — следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась  на легкоплавкую и лёгкую часть —  кору и плотную и тугоплавкую  мантию.

 

Источники информации о мантии

 

Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она  не выходит на земную поверхность  и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и  геофизическими методами. Данные же о  её геологическом строении очень  ограничены.

 

Мантию изучают по следующим  данным:

 

    * Геофизические  данные. В первую очередь данные  о скоростях сейсмических волн, электропроводности и силе тяжести.

    * Мантийные расплавы  — перовскиты, базальты, коматииты, кимберлиты, лампроиты, карбонатиты и некоторые другие магматические горные породы образуются в результате частичного плавления мантии. Состав расплава является следствием состава плавившихся пород, механизма плавления и физико-химических параметров процесса плавления. В целом, реконструкция источника по расплаву — сложная задача.

    * Фрагменты мантийных  пород, выносимые на поверхность  мантийными же расплавами —  кимберлитами, щелочными базальтами  и др. Это ксенолиты, ксенокристы и алмазы. Алмазы занимают среди источников информации о мантии особое место. Именно в алмазах установлены самые глубинные минералы, которые, возможно, происходят даже из нижней мантии. В таком случае эти алмазы представляют собой самые глубокие фрагменты земли, доступные непосредственному изучению.

    * Мантийные породы  в составе земной коры. Такие  комплексы в наибольшей степени  соответствуют мантии, но и отличаются  от неё. Самое главное различие  — в самом факте их нахождения  в составе земной коры, из чего  следует, что они образовались  в результате не совсем обычных  процессов и, возможно, не отражают  типичную мантию. Они встречаются  в следующих геодинамических  обстановках:

 

   1. Альпинотипные гипербазиты — части мантии, внедрённые в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах, от которых и произошло название.

   2. Офиолитовые гипербазиты — передотиты в составе офиолитовых комлексов — частей древней океанической коры.

   3. Абиссальные перидотиты  — выступы мантийных пород  на дне океанов или рифтов.

 

Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно  наблюдать геологические соотношения  между различными породами.

 

Недавно было объявлено, что  японские исследователи планируют  предпринять попытку пробурить  океаническую кору до мантии. Начало бурения  планируется на 2007 год. Обсуждалась также возможность проникновения к границе Мохоровичича и в верхнюю мантию с помощью самопогружающихся вольфрамовых капсул, обогреваемых теплом распадающихся радионуклидов (M.I. Ojovan, F.G.F. Gibb, P.P. Poluektov, E.P. Emets. Probing of the interior layers of the Earth with self-sinking capsules. Atomic Energy, 99, No. 2, 556—562 (2005)).

 

Основной недостаток полученной из этих фрагментов информации — невозможность  установления геологических соотношений  между различными типами пород. Это  кусочки мозаики. Как сказал классик, «определение состава мантии по ксенолитам напоминает попытки определения геологического строения гор по галькам, которые из них вынесла речка».

 

Состав мантии

 

Мантия сложена главным  образом ультраосновными породами: перовскитами, перидотитами, (лерцолитами, гарцбргитами, верлитами, пироксенитами), дунитами и в меньшей степени основными породами — эклогитами.

 

Также среди мантийных  пород установлены редкие разновидности  пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты.

Содержание основных элементов в  мантии Земли в массовых процентах
Элемент	Концентрация		Оксид	Концентрация
O	44,8
Si	21,5		SiO2	46
Mg	22,8		MgO	37,8
Fe	5,8		FeO	7,5
Al	2,2		Al2O3	4,2
Ca	2,3		CaO	3,2
Na	0,3		Na2O	0,4
K	0,03		K2O	0,04
Сумма	99,7		Сумма	99,1

 

 

 

 

 

 

Ядро Земли

 

Ядро Земли — центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Средний радиус сферы - 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 .С, плотность около 12,5 т/м3,давление до 361 ГПа. Масса ядра — 1,932·1024 кг.

 

Известно о ядре очень  мало — вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, и образцы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в обозримом будущем. Однако фантасты уже несколько раз в подробностях описали путешествия к ядру Земли  и несметные богатства, там таящиеся. Надежда на сокровища ядра имеет  под собой некоторые основания, так как согласно современным  геохимическим моделям в ядре относительно велико содержание благородных  металлов и других ценных элементов.

Состав ядра

Состав ядра непосредственно неизвестен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами  являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.

С другой стороны, из данных гравиметрии  известна плотность ядра, и это  накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность  ядра примерно на 10 % меньше, чем плотность  сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.

Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических соображений. Если каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым можно построить оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.

Химический состав ядра
Источник	Si, wt.%	Fe, wt.%	Ni, wt.%	S, wt.%	O, wt%	Mn, ppm	Cr, ppm	Co,ppm	P, ppm
Allegre et al., 1995	7.35	79.39	4.87	2.30	4.10	5820	7790	2530	3690
Mc Donough, 2003	6.0	85.5	5.20	1.90	0	300	9000	2500	2000

Время формирования ядра

 

Образование ядра является одним из ключевых моментов истории Земли. Для  определения возраста ядра были использованы следующие соображения:

    * в веществе, из которого  образовалась Земля, был изотоп 182Hf, который с периодом полураспада  9 миллионов лет превращается  в изотоп 182W. Гафний является литофильным элементом, то есть при наличии выбора предпочтительно концентрируется в силикатной фазе, а вольфрам — сидерофильный элемент, и предпочитает концентрироваться в металлической фазе.

    * Из анализа не фракционированных  хондритов известно первичное  соотношение изотопов гафния  и вольфрама.

    * Если ядро образовалось  через время большее, чем время  полураспада 182Hf, то он бы успел  почти полностью превратиться  в 182W, и во время отделения  ядра этот изотоп сконцентрировался  бы в ядре, а силикатная часть  Земли была бы им значительно  обеднена.

 

    * Если ядро образовалось  быстрее, чем распался 182Hf, то распад  гафния происходил бы в силикатной  части Земли и 182W остался в ней.

Основываясь на этой модели можно  рассчитать время разделения металлической  и силикатной части Земли. Они  показали, что ядро сформировалось за время меньше 30 миллионов лет, с момента образования Земли.

Аналогичные расчеты можно сделать  для металлических метеоритов, которые  являются фрагментами ядер мелких планетарных  тел. Оказалось, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов  лет.

Теория Сорохтина и Ушакова

 

Описанная теория не является единственной. Так, по модели Сорохтина и Ушакова, изложенной в книге «Развитие Земли» процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад). По мнению авторов, образование ядра происходило в два этапа. Сначала планета была холодной, и в её глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелась радиоактивным распадом достаточно для того, чтобы начало плавиться металлическое железо. Оно стало стекаться к центру земли, при этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до некоторой глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате образовался плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной «сердцевины» Земли.

 

Затем произошло выдавливание силикатного  вещества из центра Земли, причем оно  было выдавлено на экваторе и тем  самым дало начало асимметрии планеты.

О механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам  формирование ядра происходило при  давлениях и температурах близких, тем какие сейчас в верхней  и средней мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это не значит, что аккреция земли происходила из не дифференцированного вещества. Просто при аккреции происходила его новая гомогенизация.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы:

    Пущаровский Д. Ю., Пущаровский Ю. М. Состав и строение мантии Земли // Соросовский Образовательный Журнал, 1998, No 11, с. 111—119.

   Ковтун А. А. Электропроводность Земли // Соросовский Образовательный Журнал, 1997, No 10, с. 111—117

    Петрографический словарь, В. Рыка, А.Малишевская, М:"Недра", 1989

    Allegre, C.J., Poirier, J.P., Humler, E. and Hofmann, A.W. (1995). The Chemical-Composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters 134(3-4): 515—526. doi: 10.1016/0012-821X(95)00123-T.

    Treatise on Geochemistry, 2003, Volume 2 The Mantle and Core:

          o Partition Coefficients at High Pressure and Temperature K. Righter and M. J. Drake

          o Experimental Constraints on Core Composition J. Li

          o Compositional Model for the Earth’s Core W. F. Mc Donough.

 Geochemical Evidence for Excess Iron in the Mantle Beneath Hawaii Munir Humayun, Liping Qin, Marc D. Norman

   Соколов В. А.. Геохимия природных газов, М., 1971;

   МакИвен М., Филлипс Л.. Химия атмосферы, М., 1978;

   Уорк K., Уорнер С., Загрязнение воздуха. Источники и контроль, пер. с англ., М.. 1980;

   Мониторинг фонового загрязнения природных сред. в. 1, Л., 1982.