img

Ядро земли и общая оценка ее состава

29.03.2015

350px-Earth-crust-cutaway-ru.svg[1]Центральное ядро Земли состоит из внешнего жидкого ядра и твердого — маленького, которое начинается с глубины 5000 км. Граница между нижней мантией и внешним ядром выражена очень резко. Она отмечается полным затуханием поперечных сейсмических волн, значительным увеличением плотности и появлением высокой электропроводности. В связи с этим возникли два варианта истолкования границы ядра и мантии. Согласно первому, граница по своей природе является химической и ядро в основном состоит из сплава железа. Второй вариант допускает фазовый переход: ядро состоит из материала нижней части мантии, находящегося в состоянии плотной металлической фазы. В настоящее время по данным геофизики, геохимии и космохимии, а также физики высоких давлений первый вариант представляется наиболее вероятным. Свойства железа близки к наблюдаемым свойствам земного ядра, а некоторые отличия могут быть истолкованы небольшими примесями легких элементов. Против силикатного металлизированного ядра и в пользу ядра преимущественно металлического (железного) мы можем привести следующие аргументы (большая их часть выдвинута Л. В. Альтшулером и Л. Шарипджановым:

1. Плотность и упругость ядра (см. распределение плотностей внутри Земли) мало отличаются от значений этих параметров у сжатого железа. «Раздавленные» атомы других элементов, приобретающие металлические свойства, могут существовать только при астрофизических давлениях, намного превышающих давление в центре Земли.

2. Магний и алюминий, как наиболее распространенные металлы, имеют плотно упакованные кристаллические структуры и атомные массы, превышающие среднюю атомную массу материала мантии. Но тем не менее плотность при давлениях 1,5—3∙106 кгс/см2 у этих металлов на 50—60% меньше плотности вещества земного шара.

3. Квантово-статистические расчеты, выполненные с учетом корреляционной энергии, не подтвердили образования из окислов и силикатов при давлении в несколько тысяч кгс/см2 минералов, плотность которых была бы равна плотности ядра Земли.

4. Согласно диаграмме Ф. Берча, геофизические характеристики ядра располагаются вблизи линии с атомной массой 47 и очень далеко от линии с характерной для вещества мантии атомной массой 21,6.

5. Переход железисто-магнезиальных силикатов в сверхплотное состояние экспериментально обнаружен не был, несмотря на действие ударных давлений, намного превышающих давления центральных областей Земли.

6. По всем геофизическим данным внешнее ядро Земли жидкое. Из всех металлов только железо и близкие к нему металлы способны обеспечить жидкое состояние на глубине 2900 км и давлении 1,35∙106 кгс/см2.

7. Отсутствие сцепления между мантией и ядром, по данным собственных крутильных колебаний Земли, свидетельствует против силикатного состава внешнего ядра.

8. По космохимическим данным железо относится к весьма распространенным металлам Солнечной системы, что четко коррелируется с максимумом ядерной упаковки его изотопов. Поэтому трудно допустить, чтобы наша ничтожно маленькая планета (по сравнению с Солнцем) не отражала основные черты космического распространения элементов, где отчетливо выделяется пик «железного максимума». Более конкретно можно сказать, что представление о железном ядре поддерживается высоким содержанием железа в метеоритах. Таким образом, в свете современных данных нет веских оснований отказываться от укоренившихся представлений о том, что ядро Земли состоит в основном из металлического железа.

Однако представление о чисто железном ядре не согласуется с геофизическими результатами и экспериментами. Так, согласно расчетам, при нулевом давлении плотность внешнего ядра Земли 6,4±0,5 г/см3, в то время как железный расплав при температуре 1540° С имеет плотность 7,02 г/см3. Экспериментальные данные по ударным волнам для некоторых железо-никелевых и железо-кремниевых сплавов позволяют провести некоторую экстраполяцию. На основании экспериментов можно заключить, что чистое железо на 8% плотнее, чем внешнее ядро. По Ф. Берчу, плотность внешнего ядра на 10% ниже, чем плотность чисто железного ядра при одинаковых термодинамических условиях. Отсюда следует, что в составе внешнего ядра присутствуют некоторые легкие элементы, понижающие его плотность по сравнению с чисто железо-никелевым сплавом.

Из наиболее легких и распространенных химических элементов наиболее вероятными оказываются кремний и сера. Вхождение одного или другого элемента вполне может объяснить наблюдаемые физические свойства земного ядра. Однако пути поступления кремния и серы в центральные области Земли резко различны. Поэтому вопрос о том, кремний или сера являются примесью земного ядра дискуссионен и связан со способом формирования нашей планеты.

В 1958 г. А. Рингвуд допустил, что земное ядро содержит кремний в качестве легкого элемента, аргументируя такое предположение тем, что элементарный Si в количестве нескольких весовых процентов встречается в металлической фазе некоторых сильно восстановленных хондритовых метеоритов (энстатитовых). Присутствие кремния в ядре Земли и его поступление туда должно происходить при двух условиях: в присутствии сильных восстановителей в составе первичной Земли, таких как водород и углерод и в обстановке высоких температур, которые определяли течение реакций.

Если агентом восстановления был водород, то возникло бы огромное количество воды, что неизбежно отразилось на усиленном процессе гидратации минералов мантии и выразилось в огромном количестве воды на поверхности планеты. Если же, как допускал А. Рингвуд, главным агентом восстановления был углерод, то возникновение свободного кремния вызвало бы образование массивной атмосферы из CO, которая должна была рассеяться вскоре после аккумуляции Земли. А. Рингвуд предполагал, что при таком процессе сера как летучий элемент должна была быть утеряна Землей. В настоящее время представляется, что указанные процессы маловероятны.

Вероятное присутствие серы в земном ядре вытекает из сравнения ее распространения в хондритовом материале метеоритов и материала мантии. Нетрудно заметить резкий недостаток серы в коре и мантии. Ее на 3 порядка меньше, чем в среднем материале Солнечной системы, в качестве которого принимаются хондриты. Большой дефицит серы в коре и мантии нашей планеты можно объяснить, во-первых тем, что сера никогда не присутствовала в значительных количествах в том веществе, из которого возникла Земля путем аккумуляции. Во-вторых, тем, что сера была потеряна при высоких температурах, как это допускал А. Рингвуд. В-третьих, тем, что сера, образовав нелетучее соединение с железом, сосредоточилась в земном ядре.

Первое предположение должно быть отброшено, так как изучение распространенности элементов в различных типах метеоритов показало, что сера следует общей тенденции и сохраняется очень устойчивой, независимо от других летучих элементов. Это обстоятельство было отмечено еще П. Н. Чирвинским. В истории фракционирования элементов Солнечной системы, зафиксированной в метеоритах, не отмечается аномального поведения серы. Это указывает, что условия во время формирования твердых тел Солнечной системы не могли привести к значительному фракционированию серы по отношению к другим летучим.

Возможность потери серы при высоких температурах первичной Земли также отпадает, поскольку другие, более летучие, элементы, чем сера (например, H2 в виде H2O), обнаружившие значительно меньший дефицит, чем сера, были бы потеряны в значительно большей мере. Кроме того, при охлаждении солнечного газа сера химически связывается с железом и перестает быть летучим элементом.

В связи с вышеизложенным, наиболее реальной остается третья возможность: первоначальное количество серы в Земле посту-, пило в ядро в железоникелевом расплаве. Последние экспериментальные данные показывают, что при нормальном атмосферном давлении температура плавления системы Fe—FeS составляет 1260 К. Тройная система железо — вюстит — троилит (Fe—FeO—FeS) имеет температуру плавления 1190 К. Хотя температура плавления системы Fe—Ni—S—О при высоких давлениях в недраяземного шара неизвестна, последние опыты показывают, что с увеличением давления до 30-103 кгс/см2 она существенно не меняется. Во всяком случае, при прочих равных условиях температура плавления эвтектики Fe—FeS значительно ниже, чем температура плавления железа или силиката мантии. Так, при давлении 60-103 кгс/см2 температура плавления эвтектики Fe—FeS 1260 К, в то время как чистого железа 1880 К, а пиролита мантии 1580 К. Поэтому при повышении температуры в недрах Земли железный расплав, обогащенный серой, формируется первым и ввиду своей низкой вязкости и высокой плотности стекает в центральные части планеты, образуя железосернистое ядро. Таким образом, присутствие серы в железоникелевой среде действует в качестве флюса, снижая температуру ее плавления.

В. Рама-Мурти и Г. Холл (1970 г.) наиболее убедительно аргументировали идею о присутствии серы в качестве легкого элемента в земном ядре, приближенно оценили химический состав Земли и сравнили его с составом метеоритов разных типов. Согласно их расчетам, смесь, удовлетворяющая составу Земли, состоит из 40% углистых хондритов, 50% обычных хондритов и 10% железных метеоритов. После выделения из такой смеси ядра в оставшейся мантии будет довольно высокое отношение Fe: MgO, равное примерно 0,3, в то время как в верхней мантии оно около 0,1. Однако мы можем допустить, что в нижней мантии содержание железа увеличивается и отношение Feo: MgO приближается к 0,3, что также следует из распределения плотности и возрастания скоростей сейсмических волн в глубинах мантии.

В мантии имеется определенный недостаток углерода, который, вероятно, компенсируется его содержанием в ядре.

Согласно В. Рама-Мурти и Г. Холлу, земное ядро состоит из следующих элементов (%): FeO 53,4; FeS 41,3; Ni 5,3.

Данный состав следует рассматривать как приближенный. Средняя атомная масса внешнего ядра около 47, что соответствует 22 вес. % серы и довольно близко к составу Fe2S. В ядре могут присутствовать и другие элементы. Углерод и фосфор допустимы в количествах, близких к найденным метеоритным значениям.

Эвтектический состав ядра (FeS—Fe) значительно понижает температуру в недрах Земли и она меньше, чем это приписывается железному ядру или ядру состава F—Ni—Si. Рассмотрение Г. Толлендом температурного режима мантии и ее термических свойств также показало более низкие температуры на границе ядро—мантия в случае существования железосернистого ядра.

Как показал В. Эльзассер, жидкое ядро позволяет объяснить наличие магнитного поля Земли и его вековых вариаций. Он допустил, что геомагнитное поле является результатом электрических токов в глубинах планеты, преимущественно в области внешнего ядра. Вековые вариации магнитного поля в этом случае рассматриваются как следствие термической конвекции в жидком ядре, которое действует по принципу динамомашины. Присутствие серы во внешнем ядре принципиально не изменяет основные положения модели В. Эльзассера.

Что касается внутреннего, маленького, ядра Земли на глубине 5000 км и больше, то его природа и состав остаются наиболее загадочными. Мы можем только строить более или менее вероятные гипотезы. По мнению К. Буллена, маленькое ядро имеет железоникелевый состав, но находится в твердом состоянии. Это же предположение он подтвердил и в 1973 г., допуская, однако, что внешнее ядро сложено Fe2O. Согласно представлениям Д. Андерсона и Т. Ханкса, внутреннее ядро занимает примерно 3% массы Земли и возникло непосредственно в результате аккумуляции наиболее высокотемпературного материала. Оно состоит из тугоплавких окислов и силикатов, которые в процессе конденсации вещества солнечной туманности формировались перед конденсацией железа. Маленькое внутреннее ядро будет состоять из сильно сжатого материала, близкого к составу богатых кальцием ахондритов или высокотемпературных включений в метеорите Альенде; в целом его состав близок к общему химическому составу Луны.

Следует отметить, что предположение о силикатно-окисном составе внутреннего ядра Земли противоречит экспериментальным данным с ударными волнами, которые не обнаружили сверхплотного состояния. Поэтому нам представляется, что твердый железоникелевый сплав более соответствует истинному составу внутреннего ядра.

Исходя из данных космохимии, можно допустить, что при оценке химического состава Земли мы вправе в первую очередь опираться на четыре химических элемента — О, Si, Mg, Fe, повышенное распространение которых хорошо коррелируется с ядерными свойствами их ведущих изотопов. Следующая группа менее распространенных элементов охватывает Ni, S, Са и отчасти Al. Но соотношение указанных элементов, составляющих основу метеоритов, может и должно быть разным в пределах нашей Земли и довольно далеким от тех соотношений, которые вытекали из статистического учета числа и массы выпавших метеоритов. Мы отдаем предпочтение данным Б. Смита, В. Рама-Мурти и Г. Холла как наиболее вероятным, хотя они, естественно, приблизительные.

Похожие статьи

Для поступающих необходим следующий перечень документов:

Заявление (скачать бланк) должно быть распечатано на одном листе А4 с двух сторон Копия свидетельства о рождении

Справки по телефону: 8 (495) 942-40-27

Схема проезда

img