Специфика освоения геопространства вне биосферы

 

 

1. Формирование и открытие ядра Земли

 

Механизм и время формирования земного ядра — один из наиболее трудных и наименее проработанных вопросов в сценариях эволюции Земли. Образование ядра можно отнести к событиям катастрофического типа. Энергия, выделяющаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом выделялась гравитационная энергия, дополнительно нагревающая планету на сотни градусов и вследствие этого препятствующая вхождению сильно летучих элементов в состав металла.

В литературе рассматривались различные сценарии такого процесса. По одной из схем жидкие фракции железа или его сплавов, опускаясь в частично расплавленном силикатном материале (магматический океан) и сливаясь, формировали слой расплава, образующегося в тех участках планеты (как правило, в верхней мантии), в которых достигалась температура плавления металла. Вследствие гравитационной неустойчивости жидкого металлического слоя, последний либо целиком проваливался к центру планеты, либо распадался на несколько достаточно крупных капель, которые опускались к центру и образовали протоядро. Другой сценарий предполагает возникновение термических неоднородностей не только в верхней, но и в нижней мантии за счет ударов наиболее массивных крупных тел в период аккреции и приводит к гипотезе частичного проплавления нижней мантии, дифференциация которой сопровождалась выделением ядра на ранней стадии эволюции Земли.

Интерпретация данных по изотопии системы Hf-W позволяет предположить, что формирование ядра происходило очень быстро — за период 50–70 млн лет после начала аккреции. Последующее охлаждение планеты приводило к кристаллизации железа во внешнем ядре и росту внутреннего твердого ядра за время порядка 2 млрд лет.

Уже в 1896 г. Е. Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р. Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б. Гутенберг и Х. Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480–3485 км.

Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5,55 до 9,9 г/см³), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13,7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким, поскольку модуль сдвига жидких сред равен нулю.

Существование магнитного поля Земли также указывает на жидкое агрегатное состояние внешнего ядра. В 1936 г. датский геофизик И. Леманн, интерпретируя сейсмологические данные, пришла к выводу о зональном строении ядра и, тем самым, к открытию небольшого внутреннего ядра. Эти исследования приводят к выводу, что внутреннее ядро радиусом около 1220 км и, занимающее менее 1% объема и 2% массы Земли, является твердым. Оказалось также, что скорость распространения продольных волн на 3–4% больше вдоль полярной оси, нежели в экваториальном плане (сейсмическая анизотропия). Вероятное объяснение анизотропии внутреннего ядра может быть связано с пластической деформацией железа (основной компоненты ядра), обнаруженной в экспериментах при давлениях свыше 2 Мбар.

 

 

 

2. Ядро Земли

 

Ядро – геосфера земли, занимающая центральное положение. Как и Земля, ядро имеет слоистое строение и состоит из внешнего и внутреннего ядра (субъядра), разделённых тонкой промежуточной зоной, толщиной около 300 км. Оно залегает на глубине 2900 км, имеет средний радиус сферы 3500 км. Его объем составляет 16% всего объема Земли, а масса — 31,5%.

Средняя плотность вещества в земном ядре около 11 т/м3. Даже при том огромном давлении, какое господствует в ядре, такую плотность может иметь только металл. Кроме того, для создания и поддержания магнитного поля, ядро должно иметь большую электропроводность. Все это вместе взятое указывает на металлические свойства ядра.

Довольно долго ученые придерживались мнения, что земное ядро состоит из железа, однако накопилось много возражений насчет данного утверждения. Например, последние исследования показали, что если бы ядро было железное, вся мантия была бы расплавленной или все ядро было твердым. Нельзя не учитывать тот факт, что Земля и Луна образовались из одного и того же материала, так им образом их состав должен быть одинаков. Между тем средняя плотность Луны говорит о том, что в ней нет большого количества железа.

В последнее время появилась и другая точка зрения: предполагают, что ядро (по крайней мере внешнее) состоит из металлизованных силикатов, которые при больших давлениях приобретают плотность, электропроводность и другие свойства металла. При расплавлении таких кристаллов металлические свойства сохраняются. Однако эта гипотеза тоже встречает возражения. Главное из них состоит в том, что подавляющее большинство веществ не металлизуется при тех давлениях, какие существуют в земном ядре: для них требуются по крайней мере в десятки раз большие давления.

Внешнее ядро – жидкая оболочка Земли, залегающая под мантией и имеющая толщину около 2250 км. Верхняя граница раздела находится на глубине 2890 км, она была открыта американским геофизиком Э. Гутенбергом, в 1910 году. Переход от внутреннего ядра и внешнего ядра находится на глубине около 5150 км под поверхностью Земли.

Внешнее ядро не находится под достаточным давлением, чтобы быть твердым, так что жидкость, даже если она имеет состав, похожий на внутреннее ядро, остается жидкостью.

Внутреннее ядро – самая глубокая геосфера Земли, состоящая из сплавов железа и никеля. Достоверно состав неизвестен, но считается, что в субъядре давление повысило точку плавления вещества настолько, что оно осталось нерасплавленным. Есть, однако, и доводы в пользу того, что внешнее ядро силикатное, а субъядро — железоникелевое.

 

 

3. Мантия Земли

 

Мантия земли – геосфера, расположенная между земной корой и ядром. Мантия составляет 83% объема и 67% всей массы Земли. В ней выделяют несколько слоев — верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет четкой границы. Кроме того, верхнюю мантию еще подразделяют на несколько геосфер. Мантия занимает огромный диапазон глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру.

Согласно современным научным представлениям, состав земной мантии считается похожим на состав каменных метеоритов. В состав мантии преимущественно входят химические элементы, находившиеся в твёрдом состоянии или в твёрдых химических соединениях во время формирования Земли: кремний, железо, кислород, магний и др.

Верхняя мантия — геосфера, расположенная между земной корой и нижней мантией Земли. Сверху отделена от коры поверхностью Мохоровичича. Нижняя граница верхней мантии нечёткая, находится на глубине около 900 км. Верхняя мантия играет важную роль в тектонических, магматические и метаморфических процессах, происходящих в земной коре, в образовании полезных ископаемых и т.д.

Субстрат. Субстрат – слой верхней мантии, располагающийся на астеносфере. Вместе с земной корой образует литосферу. Представляет собой жесткую платформу, на которой в процессе геологического развития, возникла земная кора. Предполагается, что эта геосфера имеет пониженную вязкость, в связи с чем, испытывает медленные перемещения (токи), под действием нижележащих структур. Именно с этим связывают причину перемещения литосферных плит. Кроме того, весь субстрат находится в состоянии изостазии, обуславливающем взаимное уравновешивание плит: при опускании одних, поднимаются другие.

Астеносфера. Скорости сейсмических волн в мантии растут с глубиной. Но начиная с глубины 80—100 км под материками и около 50 км под океанами они понижаются на протяжении около 100 км, потом начинают повышаться и на глубине около 400 км приходят опять к нормальным значениям, соответствующим общему ходу кривых на графике скоростей в этой части мантии. Особенно заметно понижение скорости поперечных волн. Эту зону пониженных скоростей сейсмических волн называют астеносферой или слоем Гутенберга.

Из-за большой температуры и давления, вещество не расплавляется, а переходит в аморфное состояние. Есть и другое предположение: в слое Гутенберга расплавились только самые легкоплавкие кристаллы, так что в твердом в общем веществе вкраплены отдельные капли жидкости. Из обоих предположений вытекает, что для астеносферы характерна пониженная вязкость, а это очень важно для объяснения многих процессов, протекающих на Земле.

Дело в том, что горные породы при большом давлении и температуре могут медленно течь, оставаясь твердыми, как течет ледник с горы. Очевидно, что перетекание материала при неравномерном давлении как раз и происходит в астеносфере. Считают, что изостазия возникает благодаря перетеканию материала в слое Гутенберга.

При измерении скорости распространения сейсмических волн, наблюдается, что поперечные упругие волны свободно проходят сквозь кору и всю мантию, а известно, что сквозь жидкость они не проходят. Это указывает на то, что ни в коре, ни в мантии нет сплошного жидкого слоя. Твердость верхней мантии подтверждается еще и тем, что в ней (как и в коре) наблюдаются очаги землетрясений — в некоторых областях до глубины 700 км. Глубже землетрясений не бывает.

Слой Голицына. Оставшаяся часть верхней мантии под астеносферой называется слоем Голицына. В слое Голицына скорости сейсмических волн с глубиной растут особенно быстро. Это объясняется тем, что под действием очень большого давления, силикаты приобретают другую форму кристаллов, с более плотной упаковкой атомов. Это и приводит к сильному увеличению скоростей сейсмических волн. Одновременно должна возрастать и плотность, поэтому в слое Голицына предполагают быстрый рост плотности с глубиной.

Слой Голицына служит границей раздела между верхней и нижней мантией и располагающийся на глубине около 670 км.

Нижняя мантия – часть мантии, находящаяся под астеносферой и залегающая на глубинах 670 — 2900 км. В нижней мантии скорости сейсмических волн растут с глубиной как раз так, как они должны расти за счет роста давления. Рост плотности идет только за счет упругого сжатия под давлением. На долю нижней мантии приходится 47% объема Земли и 41% ее массы. По сейсмическим данным в ней выделяют слои D' и D".

Мантийный слой D'. Характеризуется дальнейшим нарастанием скоростей сейсмических колебаний (скорость поперечных упругих волн достигает 10,75-13,68 км/c). На рубеже 660 км скорость сейсмических волн аномально низка и имеет горизонтальные и вертикальные неоднородности. Это связывают с изменением состава мантии (переход минералов рингвудтита и мейжорита в первоскит, магнезиовюстит и оксидные фазы). Большинство исследователей принимает, что нижняя мантия на 70% сложена перовскитом.

Увеличение плотности с глубиной, начиная с 670 км, иногда связывают с увеличением содержания железа, т.е. допускается изменение химического состава мантии. Максимальная вязкость (прочность, добротность) мантийного вещества отмечается на глубине ≈ 2000 км.

Граница раздела. Сама граница между слоями D' и D" выражена с различной чёткостью. На одних участках переход постепенный, на других — резкий; на одних участках ниже этой границы сейсмические скорости возрастают, на других — понижаются.

Мантийный слой D". Отличительной особенностью данного слоя является резко выраженная анизотропность. Она проявлена неровностью кровли, соответственно изменчивой мощностью, значительными вариациями сейсмических скоростей в вертикальном и горизонтальном направлениях, наличием в основании слоя зоны ультранизких скоростей.

Очень важное значение имеет открытие в основании слоя зоны низких сейсмических скоростей, обладающей мощностью 20-30 км. Предполагается, что вещество находится здесь в состоянии значительного частичного плавления, что определяет возможность интенсивного массо- и теплообмена между мантией и ядром Земли. Расплавленное железо из мантии стекает в ядро, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии и происходит разуплотнение мантии. Мантийный слой D" на 75 % сложен постперовскитом, который устойчив в широком диапазоне термодинамических условий и хорошо объясняет свойства слоя D"

Тепло- и массообмен осуществляются не только непосредственно вдоль границы мантия-ядро (2900 км), но и во всём объёме слоя D", который с одной стороны является местом зарождения масштабных восходящих потоков разогретого разуплотнённого мантийного вещества, а с другой — местом захоронения погружающихся слэбов океанской литосферы.