загрузка...

Внутреннее строение Земли

  • 16.06.2010 / Просмотров: 14590
    //Тэги: геология   Гордон  

    Что представляет собой Земля на больших глубинах? Каков химический состав нашей планеты, из каких элементов преимущественно состоит Земля? Какие процессы происходят в мантии и ядре сегодня? Какова природа геомагнитного поля Земли? О том, что представляет собой Земля в контексте других планет солнечной системы, - доктора геолого-минералогических наук Олег Кусков и Арнольд Кадик.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Олег Кусков. Радиус Земли – 6370 километров.
Александр Гордон. 6370. В то время как самая глу-
бокая скважина, человеком сделанная?..
Арнольд Кадик. Самая глубокая скважина – на
Кольском полуострове, это почти что 12 километров.
Александр Гордон. 12 километров, то есть разница космическая. К
слову о космосе – мы уже привычно выходим на орби-
ту, готовим полёт на Марс, а это расстояния несопоста-
вимые. Но я так понимаю, глубже, чем на 12 киломе-
тров в ближайшее время нам не предстоит пробрать-
ся. Тогда встаёт вопрос: кроме умозрительных заклю-
чений о том, из чего может состоять Земля, какие есть
методы исследования?
Арнольд Кадик. Мы можем сказать так, что есть методы теоре-
тического моделирования, и Олегу Львовичу об этом
лучше рассказать.
Есть методы, которые связаны с непосредствен-
ным изучением глубинного вещества. Это вещество, в
основном в верхней мантии, – оно выносится к поверх-
ности земли магмами и продуктами плавления земли.
Наиболее распространённой магмой является базаль-
товая жидкость. И это не только на Земле, но и на дру-
гих планетах. Это кроме плавления, которое охваты-
вало Землю на протяжение всей её эволюции. И ко-
гда эти жидкости отделяются от субстрата, потому что
нет полного плавления Земли, а есть частичное пла-
вление, то они могут, и это мы видим по наблюдению,
какую-то часть этого твёрдого субстрата выносить на
поверхность земли. Это так называемые «ксенолиты»,
ксенолиты верхней мантии. И вот мы, изучая эти ксе-
нолиты, их минералогический состав, химический со-
став, можем судить о составе верхней мантии, о содер-
жании газов, о балансе кислорода, и решать многие
другие вопросы. И в этой области сейчас наука сдела-
ла большие шаги вперёд.
Но опять получается так, что по глубине это более
значительные глубины, чем прямая скважина. Плавле-
ние базальтовое – это где-то глубины 100 километров.
И информацию мы получаем с этих глубин. Но есть
ещё более глубинные магмы, коматиитовые жидкости,
они поступают, по-видимому, из глубин 300 киломе-
тров. И это предел. Всё, что дальше…
Александр Гордон. До ядра всё равно дойти нельзя…
Арнольд Кадик. Да, всё, что глубже – это требует других совсем
методов. Это требует методов интерпретации физиче-
ских свойств, сейсмических свойств Земли. И здесь
очень много сделано, вот Олег Львович, мой давниш-
ний друг, он как раз в этой области много сделал. А
дальше уже исследования идут путём сравнения.
Надо сказать, что мы прекрасно знаем, что Земля
дифференцирована, то есть планета испытала силь-
нейшую химическую дифференциацию. У нас есть ме-
таллическое ядро, у нас есть силикатная часть, так на-
зываемая мантия, верхняя и нижняя. У нас есть кора,
исходным веществом для неё служили продукты пла-
вления мантии и подъём расплавов к поверхности Зе-
мли. И есть газовые составляющие, которые формиру-
ют оболочку. И вода формирует оболочку, атмосферу,
гидросферу, океан. И здесь, конечно, есть много про-
блем в том, как шла эта дифференциация, каким спо-
собом, скажем, отделилось ядро…
Александр Гордон. Давайте прежде, чем перейти к этим пробле-
мам, которые является, в общем, смыслом нашей се-
годняшней беседы, всё-таки ответим на вопрос, откуда
мы знаем, что у нас есть ядро, да ещё и твёрдое? Если
вы сами сказали, что максимальная глубина, с которой
к нам приходит вещество – это 300 километров?
Олег Кусков. В астрономии существует такая старая шутка,
что нет ничего проще устройства звезды.
В геологии, в науках о Земле нет такой шутки, пото-
му что Земля, вроде бы, под ногами, но действитель-
но, сказать, что там внутри – очень сложно. Такая лите-
ратурная реминисценция, Жюль Верн «Путешествие к
центру Земли». Он предложил прямой путь – пробу-
рить скважину. Сейчас известно, что эта скважина – 12
километров. Это слабый укол для Земли.
Если говорить о том, как пришло в голову людям, что
внутри. Вообще говоря, мы на поверхности Земли ви-
дим силикаты. Это вулканические лавы, это базальто-
вые излияния, но что ниже, надо было догадываться. И
первая догадка была сделана всего лишь сто лет тому
назад, в 1896 году. Учёный по фамилии Вихерт, осно-
вываясь на веществе метеоритов, каменных и желез-
ных метеоритов, предположил, что внутри должно на-
ходиться нечто тяжёлое, более тяжёлое, нежели сили-
каты.
И вот что вообще крайне любопытно, наука же, она
как-то отстраивает свои концепции и то, что рань-
ше было совершенно непонятно, потом становится
очевидным. И вот по поводу метеоритов: лет где-то
200-250 тому назад французская Академия наук за-
претила публиковать какие-либо сообщения о падении
каких-то каменных тел с неба, потому что был дан от-
вет, что не существует тверди небесной. А раз нет твер-
ди небесной, значит, нет, так сказать, того материала,
который мог бы падать.
Прошло сто лет, и возникла эта гипотеза, что в цен-
тре должно быть ядро, предположительно, железное.
И вот потом, как сказал Арнольд Арнольдович, возни-
кли уже новые методы. Но то была гипотеза, то было
первое предположение, так сказать, некое наитие.
Арнольд Кадик. Олег Львович, а на основании чего первые
предположения появились?
Олег Кусков. Да, первое предположение появилось уже в 20-
м веке. На основании самого прямого сейсмологиче-
ского метода.
Арнольд Кадик. Всё-таки сейсмологические методы. Просто так
догадаться ведь сложно, без прямых данных.
Олег Кусков. Английский учёный Олдгем или Олдхем, нахо-
дящийся в Индии, на основании записи землетрясе-
ний, зарегистрировал существование ядра. Я ещё па-
ру слов тогда скажу, это очень важно, можно даже этот
разрез дать или следующий рисунок. Земля состоит,
твёрдая земля состоит, я подчёркиваю – твёрдая зе-
мля, из трех главных оболочек: кора, мантия и ядро. В
этом разрезе видно, что серовато-зелёный цвет – он,
наверное, должен олицетворять ядро. Но в ядре есть
ещё внутреннее ядро, которое тоже было на основа-
нии данных сейсмологии предсказано. Земля – 6400,
если округлять, ядро занимает более чем половину
земного шара. Радиус ядра 3500 километров и радиус
внутреннего ядра ещё 1000 с чем-то километров, 1200
километров.
Александр Гордон. То есть пропорции на этой схеме указаны невер-
но.
– Она не в масштабе, конечно.
Итак, есть очень большое ядро, оно жидкое. Люди,
когда говорят «есть ядро», вообще подразумевают всё
ядро. Вот в нём жёлтая часть, это жидкое внешнее
ядро. А вот то, что белым – это внутреннее твёрдое
ядро. И вот очень любопытно здесь протянуть цепоч-
ку от состава ядра к составу внешних оболочек. Пото-
му что состав атмосферы, образование гидросферы
как-то связаны с образованием самого ядра, что тоже
представляет загадку.
Но вот, может быть, Арнольд Арнольдович скажет
сейчас о взаимосвязи этих геосфер и внешних оболо-
чек.
Арнольд Кадик. Я хочу сказать, что, конечно, когда появились
возможности для сейсмического исследования и опре-
деления геофизических свойств Земли, собственно,
тогда и родилось полное представление об оболочках
Земли. Ядро, мантия.
Александр Гордон. Всё это из-за неравномерности прохождения
волн?
Арнольд Кадик. Да, прохождения волн.
Олег Кусков. Они по-разному отражаются от границ.
Арнольд Кадик. И уже с этого момента возникла необходимость
понимания того, что произошло, почему планета так
разделилась. Сейчас нам, конечно, совершенно оче-
видно, что это очень сложный процесс и о нём можно
много говорить, потому что есть разделы науки, кото-
рые специально этим занимаются.
Но в общем можно сказать, что когда формиро-
валась Земля, то во время её образования и позд-
нее были очень подвижные фазы. Собственно говоря,
эта дифференциация, химическая дифференциация,
в основном связана с тем, что были подвижные фазы.
На первоначальных этапах формирования Земли ме-
талл, в расплавленном состоянии, имел возможность
собираться в ядро. Хотя там есть свои проблемы, не
очень понятны иногда механизмы отделения металли-
ческой фазы от силикатной, тут ещё дискуссия идёт,
между прочим. Это первая подвижная фаза.
Вторая подвижная фаза, характерная и для Земли,
и для других планет, – это то, что Земля плавилась.
Как я говорил, базальт и магма – это 100 километров,
коматииты – это 300 километров. Это главные жидко-
сти, которые поступают на поверхность Земли. И ба-
зальт – самая главная, конечно, жидкость. И вот подъ-
ём этих жидкостей, их отделение приводило к хими-
ческой дифференциации. То, что мы называем корой
(это то, по чему мы ходим с вами), её формирование в
основном обусловлено, конечно, тем, что когда-то пла-
вилась мантия и этот материал поднимался. Сама ко-
ра тоже была подвержена многим процессам: воздей-
ствию океана, атмосферы, – это тоже сложные процес-
сы. А потом оболочка гидросферы.
Третья фаза подвижная – это газ, вернее, поскольку
он находился под высоком давлением, то, что мы на-
зываем флюидом. Потому что под высоким давлением
летучие составляющие Земли уплотняются. В общем,
похоже, так получается очень плотная среда. Вот эти
три среды, они всё время двигались и разделялись.
Александр Гордон. Простите, пожалуйста, я сразу задам вопрос на
понимание. А какая энергия обеспечивала на ранних
стадиях этот разогрев, плавление металлов, плавле-
ние базальтов?
Арнольд Кадик. Об этом можем поговорить. Само движение, ко-
нечно, связано с тем, что весь процесс проходит в гра-
витационном поле. И это первый фактор. Но есть и
другие факторы, например, динамические процессы в
Земле. Ведь долго считалось, что Земля твёрдая, и до-
вольно долгое время так считали, хотя много лет таких
представлений нет. Но во всяком случае изначально
были представления, что всё твёрдо стоит. На самом
деле мы знаем теперь, что твёрдое вещество конвек-
тирует, движется, что есть такие диапиры, которые мо-
гут возникать в мантии.
И самое главное, сейчас особенно много обсужда-
ется то, что связано как раз с ядром. Есть так называ-
емые «горячие струи», то есть где-то на границе ман-
тии и ядра возникает нарушение механической устой-
чивости и возникают такие струи, двигающиеся в глу-
бину материала, которые достигают поверхности Зе-
мли. И вот то, что мы фиксируем в виде горячих то-
чек на Земле, изолированный вулканизм, на дне океа-
на, скажем, – это сейчас мыслится как движение веще-
ства от границы ядра к поверхности Земли. И, кроме
гравитационных сил появились ещё механические си-
лы, движения вещества, крупномасштабные движения
вещества. И они, конечно, тоже оказывали и оказыва-
ют влияние на химическую дифференциацию, они что-
то выносят, что-то приносят. И сейчас этот механизм в
центре внимания находится.
Олег Кусков. Наверное, надо добавить о магматическом оке-
ане.
Арнольд Кадик. Да, конечно. Я говорил о плавлении, которое
проявлялось на Земле в течении длительных геологи-
ческих времён, это базальтовый магматизм. Но есть
представление о том, что на ранних этапах формиро-
вания Земли в силу высвобождения гравитационной
энергии при формировании ядра, в силу того, что Зе-
мля подвергалась воздействию падающих метеорит-
ных тел, происходил разогрев, подъём температуры и
была стадия существенного плавления Земли. Полно-
го или частичного – это тоже предмет дискуссии. Но,
во всяком случае, жидкость появлялась.
Олег Кусков. Может быть, я на секундочку прерву. Это вооб-
ще очень сложный процесс, ведь не было никакой Зе-
мли, не было, вообще говоря, ни Венеры, ни Меркурия
– ничего ж не было. Было то, что называется допланет-
ное или протопланетное облако. В нём были две со-
ставляющие: пыль и газ. Газ диссипировал. Газ – это
водород. Солнце на 99 процентов состоит из водорода.
Облако тоже состояло из водорода. А то, по чему мы
ходим, – железо, кремний, кальций, алюминий – это,
вообще говоря, ничтожная часть от водорода, который
находился в этом облаке.
Хорошо, как вот эта пылевая компонента собра-
лась? Она собиралась постепенно из мельчайших ча-
стиц, менее, чем миллиметровых размеров, гораздо
более мелких. Она стала аккумулироваться и образо-
вывать тела значительно более крупных размеров. Это
очень плохо понятные процессы. Этим занимается та-
кая наука как «космогония».
Александр Гордон. Понятно, когда они начались?
Олег Кусков. Да, 4 с половиной миллиарда лет тому назад.
Наша Земля, метеориты и Солнце – 4.5–4.6 миллиар-
да лет. В это же время сформировалась Луна. То есть
мы говорим с такой точностью, которая нам доступна,
четыре с половиной миллиарда лет.
Потом образовались очень крупные тела, которые
приводили к магматическому океану; это уже тела ты-
сячекилометрового размера, то есть, тела лунного раз-
мера. Образовался некий крупный зародыш, который
как, не знаю, как аллигатор, вычерпывал всю эту ме-
лочь, которая была в рое допланетных тел.
Те метеориты, которые мы сейчас видим, которые
падают и в настоящее время, это некое, так сказать,
охвостье, которое осталось в поле астероидов и забра-
сывается на Землю и на другие планеты.
И вот сталкиваются два больших тела. Представим
себе, что Земля первоначально была, скажем, разме-
ром с Марс (Марс по радиусу вдвое меньше Земли).
И на прото-Землю размером с Марс выпадает тело,
скажем, размером Луны. Происходит совершенно ко-
лоссальный взрыв, мы даже мысленно не можем пред-
ставить, что это такое. Когда говорят об астероидной
опасности, подразумевается, что тело размером, ска-
жем, в поперечнике 10 километров, может снести вооб-
ще всё живое. А здесь тело размером с Луну, прото-Лу-
на падает на прото-Землю. Происходит колоссальный
разогрев. И здесь начинается образование магматиче-
ского океана. Это какая-то, так сказать, каша из метал-
ла, из силикатов. Вы спросили об энергии, вот эта ко-
лоссальная энергия…
Арнольд Кадик. Она реализовалась таким способом.
Олег Кусков. И, конечно, Земля прогрелась очень сильно.
Происходило, вероятно, катастрофическое формиро-
вание ядра. То есть эта тяжёлая железная фракция,
она просто проваливалось к центру. Но ядро, ведь оно
радиусом 3 с половиной тысячи километров и треть Зе-
мли по массе. Это колоссальное количество железа,
железа с примесями, с кислородом, с серой, с углеро-
дом, с водородом и так далее.
Очень важно здесь отметить одну такую особен-
ность, что ядро не чисто железное. Метеориты тоже не
бывают чисто железоникелевыми. Плотность желез-
ных фаз, померенная в лаборатории, несколько боль-
ше, нежели плотность ядра, рассчитанная через мето-
ды сейсмологии. Плотность в центре Земли – это око-
ло 13 грамм на кубический сантиметр. Плотность же-
леза, измеренная в лаборатории, она превышает плот-
ность центра Земли.
Александр Гордон. Несмотря на то, что там давление колоссаль-
ное.
Олег Кусков. Это колоссальное давление, это давление трех
с половиной миллионов атмосфер. И поэтому ядро
нужно чем-то разбавить, каким-то лёгким легирующим
компонентом. Это, ещё раз повторяю, водород, кисло-
род, сера, кремний, углерод – не обязательно, что они
там есть, я говорю о гипотезах.
Арнольд Кадик. Это то, что может понизить плотность.
Олег Кусков. То, что может понизить плотность и понизить
температуру плавления железа. И именно с этими ле-
гирующими компонентами связаны флюиды, которые
как-то тянутся от ядра и несут все эти летучие фрак-
ции, которые образуют и состав ранней атмосферы, и
состав гидросферы. Не так ли?
Арнольд Кадик. Да. Конечно, ранние этапы формирования Зе-
мли – это вообще-то область гипотез. Просто потому
что Земля в своём веществе очень мало сохранила ин-
формации о самых ранних этапах. То есть они скрыты
поздними процессами. Что, скажем, происходило 3.5
миллиарда лет назад мы знаем, всё-таки что-то оста-
лось, а более ранние этапы, они науке мало известны,
потому что не сохранила природа данных.
Но, действительно, летучие компоненты земли важ-
ны для понимания гидросферы, и атмосферы, и ран-
ней атмосферы. На ранних этапах состав этих летучих
компонентов, как мы предполагаем, был тесно связан с
формированием ядра. В чём дело? По-видимому, был
этап – хотя это гипотеза – был этап, когда металл на-
ходился в равновесии с силикатом, ещё ядра не бы-
ло. Но в присутствие металла возникает пониженная
химическая активность кислорода, как бы дефицит. И
при таком состоянии глубинного вещества состав га-
за должен быть абсолютно иным, чем тот, который мы
сейчас видим. Это должен был быть водород, метан, –
как мы говорим, восстановленные газы. Вот они долж-
ны были присутствовать в земле.
Но доказать это довольно трудно. Хотя мы пытаемся
это сделать. Но как мы пытаемся сделать? Какие мето-
ды используем для того, чтобы понять эти процессы?
Первый путь совершенно очевиден, он связан с ксе-
нолитами, с теми глубинами, откуда магма выносит ча-
сти атмосферы.
Олег Кусков. Надо рассказать, наверное, что такое ксеноли-
ты.
Арнольд Кадик. Ксенолиты – это часть глубинной породы, ко-
торую магма при своём подъёме как бы вырвала из
окружающей среды и вынесла на поверхность земли.
Мы эти части просто видим, в базальтовой жидкости
они сохранились, мы можем их собирать. Мы можем
взять эти ксенолиты, изучить химические равновесия
и рассчитать, скажем, химический потенциал кислоро-
да. Это наука и делает. Таким образом мы можем ре-
конструировать, какой газ там был: вода, СО2 или же
метан.
Кроме того, эти глубинные минералы почти что все
содержат включения глубинных газов. Опять-таки – это
глубина 100 километров. Мы можем этим воспользо-
ваться. Такими методами пользуется наука.
И вот когда мы это сделали, то увидели, что в древ-
них породах литосферы, вынесенных кимберлитовы-
ми магмами (это такой несущий сплав, ксенолит, кото-
рый содержит алмазы), мы видим довольно низкий по-
тенциал кислорода. Довольно низкий. Причём возраст
этих ксенолитов где-то 3.5 миллиарда лет.
Но всё-таки не настолько низкий, чтобы это веще-
ство находилось в равновесии с металлом. А потом по
этим же измерениям мы знаем, что потенциал кисло-
рода, по-видимому, повышался, и в архее повышался.
И вот современная мантия имеет высокий потенциал
кислорода. И метан в верхних слоях мантии не устой-
чив. Мы не видим таких признаков. Устойчива вода,
углекислота, карбонаты.
Олег Кусков. А можно какую-то аналогию провести между со-
ставом атмосферы Венеры и составом атмосферы Зе-
мли?
Александр Гордон. Я тоже хотел об этом спросить.
Арнольд Кадик. Тут надо сказать так. Существует гипотеза
эволюции состава газа Земли со временем, которая
утверждает, что на ранних этапах был восстановлен-
ный состав газов мантии. По-видимому, на каких-то
ранних этапах атмосфера тоже содержала восстано-
вленный летучий метан. По отношению к Земле мы
можем это как-то более-менее обосновывать. Но если
говорить в принципе, если сравнивать одну планету с
другой по изотопии, то Эрик Михайлович Галимов, ко-
торый у вас делал доклад о происхождении жизни, при-
ходит к выводу, что на Марсе тоже была восстановлен-
ная атмосфера. Но вы спрашиваете о другом: почему
вода на Земле и СО2 на Венере.
Александр Гордон. Один и тот же ли был сценарий развития собы-
тий?
Олег Кусков. Влияло ли расстояние от Солнца? Или какие-то
другие процессы? Ещё тут важно магнитное поле. У
Венеры нет магнитного поля, у Земли есть магнитное
поле.
Арнольд Кадик. Вы знаете, это очень дискуссионный вопрос. Я
могу свою точку зрения высказать на этот счёт. Эту кон-
цепцию, эти представления, вернее, ибо до концепции
ещё далеко, я могу выразить следующим образом.
Вполне возможно, что при формировании протопла-
нетного облака происходит так, что то вещество, из ко-
торого образовывалась Земля, в целом имело иную
летучесть кислорода, чем вещество Венеры. Если мы
возьмём систему, которая определяет образование
главных газов, – это вода, метан, водород, и эта систе-
ма будет в равновесии со свободным углеродом (а мы
предполагаем, что на ранних этапах свободный угле-
род был), то там есть одна важная специфическая осо-
бенность термодинамики этих равновесий. Там полу-
чается так, что состав газа в этом случае будет очень
сильно меняться как раз от потенциала кислорода, как
мы уже говорили, от химической активности кислоро-
да. Очень сильно. Он будет меняться от газов или
флюидов, богатых СО2 до газов, богатых метаном, по-
том водородом.
Так вот могло получиться так, что Земля при своём
формировании имела отличный потенциал кислорода,
и вследствие сжатия этой газовой смеси (поскольку
идёт аккреция, давление) где-то оказалось, что потен-
циал кислорода соответствует устойчивости воды. А на
Венере это может быть СО2. И можно начать поиски в
этом направлении. Но, в общем, это всё-таки пока не
очень понятно.
Александр Гордон. Это может объяснить газовый состав атмосфе-
ры Венеры. А как это объясняет тот факт, что у Вене-
ры, судя по тому, что у неё нет магнитного поля, нет,
скорее всего, и жидкой мантии, и твёрдого ядра? Если
правильна гипотеза о происхождении нашего магнит-
ного поля.
Олег Кусков. Это, конечно, один из фундаментальных вопро-
сов. Может быть, даже, что магнитное поле земли как-
то связано с происхождением жизни.
Дело в том, что мало иметь ядро. Вообще гово-
ря, все небесные тела имеют ядра. Даже астероиды.
Астероиды, самые крупные из них типа Весты, Цере-
ры, меньше Луны, существенно меньше Луны. И, тем
не менее, всё равно они имеют внутреннее железное
ядро. Когда я говорю «железное», нужно всегда доба-
влять, что это, во-первых, железоникелевое ядро, по-
тому что все метеориты содержат в своём составе ни-
кель. Ну, и, кроме того, обязательно должна быть ка-
кая-то лёгкая примесь элемента типа кислорода или
серы. Или похожего на них. Меркурий имеет очень мно-
го железа. Средняя плотность Меркурия выше, суще-
ственно выше, чем плотность Земли. Луна имеет очень
маленькое ядро. Но имеет. Если Земля, я повторю,
имеет радиус ядра 3.5 тысячи километров, то радиус
лунного ядра на порядок меньше, то есть 300-400 кило-
метров. Но всё равно ядро есть. Но Меркурий не име-
ет магнитного поля, Марс не имеет магнитного поля,
или точнее говорить – имеет очень-очень слабое маг-
нитное поле.
Александр Гордон. Луна не имеет магнитного поля.
Олег Кусков. Не имеет – что, вообще говоря, интересно.
Спутник Юпитера Ганимед, который в течение не-
скольких лет изучался миссией Галилео, при очень ма-
ленькой средней плотности имеет огромное жидкое
ядро и обладает огромным собственным магнитным
моментом. И вообще никому в голову не приходило
ещё несколько лет назад, что у Ганимеда есть ядро
– железное ядро, железоникелевое ядро. И его стали
сравнивать с Землёй. Земля имеет не просто ядро. Вот
оно, внешнее ядро. И потом внутреннее ядро. И внеш-
нее ядро жидкое – это доказано методом сейсмологии
и лабораторными экспериментами тоже. Почему оно
жидкое? Потому что в жидкости модуль сдвига равен
нулю. В сейсмологии изучаются как продольные вол-
ны, так и поперечные. Так вот, внешнее ядро не про-
пускает поперечные волны. Значит эта среда жидкая.
Так же, как жидкая вода тоже не пропускает попереч-
ные волны.
Но чтобы образовалось магнитное поле (хотя это,
так сказать, не наша проблема), должно существовать
ещё внутреннее ядро. И вот эти стрелочки олицетво-
ряют собой крупномасштабное движение во внешнем
ядре. То, что называется конвекцией.
Внешнее ядро образовалось, вероятно, очень бы-
стро на ранней стадии аккреции Земли. И сейчас но-
вейшие изотопные данные по изотопии таких элемен-
тов, как гафний и вольфрам, говорят, что это было
катастрофическое событие, которое потребовало (по
геологическим меркам) ничтожного времени – 50 мил-
лионов лет на фоне 4.5 миллиардов лет. Тогда образо-
валось ядро как таковое. Может быть, оно сразу уже
было жидким. Потому что температура плавления же-
леза с примесями меньше, чем температура плавле-
ния силикатов.
А вот внутреннего ядра, может быть, и не было с
самого начала. Земля немножечко охлаждалась, по-
скольку всегда идёт вынос энергии. Хотя Земля – это
термостат, но поскольку существует конвекция (это
очень эффективный способ теплопередачи, отвода те-
пла), то жидкое ядро стало охлаждаться и какая-то
часть его стала кристаллизоваться. И за значительно
более длительный период времени стало образовы-
ваться твёрдое ядро. Сейчас оно имеет размеры весь-
ма приличные – это тысяча с небольшим километров.
Это твёрдое ядро тоже не чисто железоникелевое. Там
2-3 процента каких-то дополнительных элемента, вот
опять же типа серы.
И твёрдое ядро кристаллизуется и увеличивается
в размерах, а жидкое ядро немножко уменьшается в
размерах. Но на границе между этим овалом, где на-
писано «внешнее ядро» и мантией существует слой.
Это так называемый слой «Д два штриха», с которым
связана масса всяких интереснейших идей. Этот слой
здесь изображён такой достаточно тонкой пунктирной
линией, но на самом деле его мощность – это несколь-
ко сотен километров, 200, может быть, 300 киломе-
тров. И он хорошо отбивается сейсмологическими ме-
тодами, как граница. Потому что плотность мантийного
материала – 5.5 граммов на сантиметр кубический, а
плотность на границе ядра и мантии, плотность ядра –
10, больше примерно в два раза. Поэтому сейсмология
отлично ловит эту границу. И вот на этой границе (там
изображён гипотетический начальный плюм) отделяет-
ся вещество, которое, возможно, является поставщи-
ком разного рода магматических жидкостей. Правда,
вообще очень плохо понятно как? Ведь мощность ман-
тии – 2890 километров. Представляете, этот плюм дол-
жен пройти такое гигантское расстояние. Как? Арнольд
Арнольдович, к вам вопрос.
Арнольд Кадик. Конечно, представление о существовании плю-
мов частично базируется и на геофизических данных,
на изменении физических свойств, и по сейсмике про-
слеживается эта струя до существенных глубин. Ино-
гда и до границы с ядром, но иногда нет. Это чисто ди-
намический процесс, он моделируется теоретически.
В общем, возможность подъёма горячей струи суще-
ствует. И потом это выражается в виде вулканической
активности, потому что вещество плюма плавится, и
многие горячие точки на дне океана связаны с такими
плюмами, по-видимому. Ну, есть и специфика составов
магм в этом случае, больше летучих компонентов в них
оказываются. Но надо сказать, что, в общем, эта про-
блема имеет много загадок, конечно, включая и дина-
мику.
Но вот что ещё прямо связанное с ядром я хотел
бы обсудить. Как нам быть? Я как раз сейчас хочу это
сказать, как нам быть? Дело в том, что есть одна про-
блема, которая нам не позволяет до конца понять, как
формировалось ядро. Это действительно треть Земли
по массе. В чём заключается проблема? Есть элемен-
ты называемые «сидерафильными элементами», ко-
торые любят металл. Если вы приведёте металл в кон-
такт с силикатом, то они предпочтут идти в металл. Это
элементы группы железа: кобальт, никель, само желе-
зо. Такими же свойствами обладают платиноиды: пла-
тина, палладий, иридий, осьмий. Но вот, оказывается,
что содержание этих элементов в породах, доступных
нам, это в верхних оболочках, таково, что этих элемен-
тов слишком много для того, чтобы эти породы были в
равновесии с металлом.
Олег Кусков. Это вопрос, почему они не ушли в ядро?
Арнольд Кадик. Ещё Рингвуд, знаменитый биохимик, где-то в
65-ом году сформулировал эту проблему избытка си-
дерафильных элементов. И мы до сих пор не можем
выйти из этой ситуации. Конечно, для того чтобы по-
нять, как действует температура на коэффициент рас-
пределения сидерафильных элементов между метал-
лом и силикатом, как действует летучесть кислорода,
как действует давление, было сделано много экспери-
ментов. Была идея, что в верхней оболочке Земли да-
вление всё-таки не очень высокое, а там, где давле-
ние миллионы атмосфер, может быть, эти коэффици-
енты распределения изменились. Много сделано экс-
периментов.
Олег Кусков. При очень высоких давлениях были сделаны
такие эксперименты?
Арнольд Кадик. При самых высоких не было, ну, сотни килобар.
И вроде бы иногда можно видеть, что сидерафиль-
ность теряется несколько. Но всё-таки такого факто-
ра, который бы привёл металл в равновесие, не най-
дено до сих пор. И тогда встаёт проблема: как возни-
кает ядро? Мгновенно ли отделилось, раньше ли отде-
лилось, чем силикат?
Александр Гордон. Практически возникает противоречие.
Арнольд Кадик. Да, противоречие. И, кроме того, кроме гипо-
тезы о формировании ядра за короткое время, мно-
гие начинают говорить о том, что ядро формировалось
более постепенно и даже испытало какое-то измене-
ние внутренней динамики приблизительно около двух
с половиной миллиардов лет тому назад. И изменение
этой внутренней динамики привело к тому, что возни-
кли дополнительные факторы химической дифферен-
циации, поступления вещества в верхние слои. Вот как
всё-таки здесь нам быть, как разобраться с этим? С си-
дерафильными элементами и с тем, может быть, ядро
развивалось более постепенно.
Олег Кусков. Когда я начал заниматься этой проблемой (это
было уже довольно давно, где-то 30 с лишним лет тому
назад), этот вопрос стоял так же остро, как и сейчас.
Вообще говоря, тут, может быть, мы сделали некую
методологическую ошибку. Надо было упомянуть имя
Отто Юльевича Шмидта, главного редактора Энцикло-
педии, полярного исследователя, основателя Институ-
та физики Земли. Дело в том, что этой проблемой мно-
го людей занималось: занимались философы – Кант,
занимались физики – Лаплас. Существует знаменитая
гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Солнечной
системы и Земли. Но это было очень далеко.
Шмидт 50 лет тому назад, вообще говоря, сделал
резкое продвижение в понимании происхождения пла-
нет. Я уже коротко сказал о предположениях о том,
что Земля сформировалась как однородное тело, го-
могенная аккумуляция, или гомогенная аккреция. То
есть и частицы железа, и частицы силиката, хаоти-
чески сталкиваясь друг с другом в этом допланетном
облаке, сформировали шар, однородный по составу.
Потом, как и было сказано, за время порядка несколь-
ких первых миллиардов лет, железо просто в силу за-
конов Архимеда и в силу разогрева стекало вниз. Но
это не нравилось многим геофизикам. И тогда была
предложена другая гипотеза, тоже очень красивая, она
стала называться гипотезой неоднородной аккреции,
гетерогенной аккреции.
Суть её понять очень легко – сначала образова-
лось ядро. Железо пластично, и эти маленькие желез-
ные частички, сталкиваясь друг с другом, образовали
огромное ядро, и на него уже стала налипать силикат-
ная мантия. И это вообще было простое объяснение.
Тогда не нужно было, чтобы частицы железа в готовой
земле с поверхности прошли 3 тысячи километров и
осели бы в центр. Это вообще до сих пор непонятно.
Это толком не поддаётся ни моделированию, ни экспе-
рименту, ни теории.
Арнольд Кадик. Это проблема, конечно.
Александр Гордон. А как тогда возникло жидкое ядро?
Олег Кусков. И всё-таки от гетерогенной аккреции отказа-
лись. И снова пришли к выводу о том, о чём я уже упо-
мянул, что всё-таки тела росли однородным образом.
То есть однородным в том смысле, что железо и сили-
каты были перемешаны хаотически… Вот метеориты
– это же разные тела, да? Есть хондриты, есть желез-
ные метеориты.
Александр Гордон. Железных меньше.
Олег Кусков. Меньше, да. Есть ахондриты. То есть существу-
ет довольно большое количество метеоритов, каждый
из них – это индивидуальное тело, оно неповторимо.
И те люди, которые занимаются космохимией, теоре-
тики, они знают, что каждый метеорит – это целый мир.
Есть брекчи, есть вообще очень сложные метеориты,
которые невозможно объяснить с точки зрения балан-
са кислорода.
Но все они в каком-то динамическом образовании:
4 с половиной миллиарда лет назад всё-таки образо-
вали Землю, но прото-Землю. И на эту прото-Землю
выпадали остатки больших тел из роя, они пробивали
эту землю, пробивали очень сильно, разогревали её, и
ядро стекало.
Арнольд Арнольдович, в нашем же институте вы
участвуете в экспериментах как раз по проницаемости
железных частиц. Может быть, об этом надо расска-
зать? Это один из механизмов формирования ядра, не
только на первой стадии – пробивания, но и на после-
дующей стадии.
Арнольд Кадик. Формирование ядра действительно ставит про-
блемы, которые мы не можем понять. Первое – это
противоречие с избыточными сидерафильными эле-
ментами, и в экспериментах, хотя и сделанных при вы-
соких давлениях, мы не нашли решения. Это первая
проблема. Вторая проблема. Если была гомогенная
аккреция, были частицы металла между силикатными
компонентами, между кристаллами, то вопрос, как они
потом сумели сесть?
Олег Кусков. Как они сумели через эту толщу пройти?
Арнольд Кадик. Вы знаете, конечно, проблему пытаются ре-
шать, но всё-таки полной ясности нет. Конечно, это бу-
дет не частица металла, а будет огромный шар, и по
закону Архимеда (есть расчёты, модели такие очень
ранние) такой шар, в конце концов, может провалить-
ся. Но это должны быть очень большие тела. И трудно
представить, как они образовались. Скорее всего, ка-
кой-то был металл неизвестного размера, скажем, ки-
лометровые шары. Вы знаете, мы до сих пор не име-
ем решения. Но эксперименты по проницаемости кри-
сталлической массы жидким металлом, которые были
сделаны…
Олег Кусков. В центрифуге, да?
Арнольд Кадик. Да. Они показывают, что металл не садится. В
нашем институте мы вместе с доктором Лебедевым
делали эксперимент с использованием центрифуг. Де-
ло в том, что мы таким способом пытались ускорить
процесс. Есть процессы, где скорость будет очень ме-
дленная, и, чтобы увидеть этот процесс, вам, может
быть, надо ждать 5 лет. А с центрифугой, с примене-
нием теории подобия, мы можем этот процесс уско-
рить. Мы изучали проницаемость для случая частич-
но расплавленной мантии. Жидкость должна способ-
ствовать, по нашим представлениям, проницаемости
силикатной каркаса, должна способствовать осажде-
нию этих частиц.
Олег Кусков. Вот это железо не смешивается с силикатной
жидкостью?
Арнольд Кадик. Да, не смешивается.
Александр Гордон. А жидкость тоже находится в движении?
Арнольд Кадик. Конечно, и это ещё более усложняет…
Олег Кусков. Жидкость в жидкости получается, да?
Арнольд Кадик. Да. Понимаете, металл, он антагонист к силика-
там, он совершенно не смачивается, он как ртуть. И,
хотя есть каналы, это не даёт возможности ему про-
никнуть через эту матрицу.
И делались эксперименты при высоких давлениях
без центрифуг, тоже пытались мерить, как металл сма-
чивает при движении кристаллы. Но тоже приходится
делать вывод, что когда частично расплавленный ма-
териал мантии… Почему мы рассматриваем частич-
но расплавленный материал? Потому что полного пла-
вления, по всем нашим химическим данным не могло
быть, ну, 10 процентов, 5 процентов, а при такой сте-
пени плавления металл не садится. И это до сих пор
тоже остаётся вопросом.
Но ясно совершенно, что всё-таки должен быть рас-
плав, должна появиться смазка для металла для то-
го, чтобы он туда проник. Какая гипотеза обсуждается?
Обсуждается гипотеза такая. Мы начали говорить об
океане. Это тоже гипотеза, в значительной степени все
признают такое раннее плавление, когда мантия бы-
ла частично расплавлена на глубину, скажем, 300 ки-
лометров, может, больше даже. Ищут выход из такого
положения. Когда было много расплава, не 10 процен-
тов, а больше, металл тогда может сесть…
Олег Кусков. А в нижней мантии?
Арнольд Кадик. Я просто говорю, в чём противоречие. Он мог
накопиться на дне.
Александр Гордон. То есть это должен был быть тогда пояс такой…
Арнольд Кадик. Да. Но он может накопиться на дне и создать
слой, неустойчивый с механической точки зрения.
Олег Кусков. И тогда происходит переворот.
Арнольд Кадик. Да, переворот. Для Луны такая же обсуждается
проблема, там такая же задача…
Олег Кусков. Но там мало железа, там проще, в общем.
Арнольд Кадик. Может быть, надо искать ответ на этот во-
прос в крупномасштабной механической неустойчиво-
сти. Слой-то образовался, а потом был неустойчив.
Олег Кусков. Вы знаете, ведь все эти проблемы поднимают-
ся очень давно. И вот, может быть, сейчас стоит ска-
зать, что в 1948 году советский учёный Лодочников, из-
вестный геолог, и Рамзей, это уже иностранный учё-
ный, понимая трудности образования железного ядра,
предложили принципиально другую идею: нет желез-
ного ядра в земле, нет железных ядер и в других пла-
нетах.
Они предложили идею так называемой металлиза-
ции силикатов. То есть при высоком давлении сили-
каты (а уже было известно, что все силикатные веще-
ства могут претерпевать фазовые переходы под очень
высоким давлением) преобразуются в очень плотный
субстрат, который проводит электрический ток. Внеш-
няя электронная оболочка сближается, и могут инду-
цироваться электрические токи, в том числе образуя
магнитное поле.
Это была красивая идея, она объясняла состав всех
планет – Меркурия, Марса, Венеры, Луны – по одно-
му и тому же типу. Но только в Луне маленькие давле-
ния, там нет магнитного поля, там не произошла ме-
таллизация. Это была неплохая идея, но потом прямой
эксперимент доказал, что невозможно при таком да-
влении достигнуть нужной плотности, как в центре зе-
мли. На это только железо способно, и не просто желе-
зо в обычной модификации альфа-железо, а там долж-
на быть специальная, специфическая кристаллохими-
ческая структура, так называемая эпсилон-железо. То
есть эта гипотеза рухнула.
Вот видите, люди всё время стараются избавиться
от проблемы того, как протащить эту огромную массу
железа внутрь. Как её решать? Современная изотопия
утверждает, что это было катастрофическое событие,
и ядро возникло в момент рождения Земли.
Арнольд Кадик. Это то, что мы знаем.
Я хочу одну проблему обсудить, тоже связанную с
ядром, очень важную для понимания концентрации ки-
слорода в виде соединения с водородом, это вода с
углеродом СО2 в верхних оболочках Земли, это где-то
глубины 100 или 300, может быть, километров.
Несомненно, очень много было процессов, которые
приводили к этой концентрации. Но поскольку мы сей-
час обсуждаем ядро, я как раз хотел бы коснуться во-
проса в этом аспекте. Это кажется странным, ядро –
это восстановленное соединение (кислород, правда,
может там растворяться в виде нескольких процентов
при высоких давлениях). Наверху мы имеем воду и
угольную кислоту. И, тем не менее, многие из нас ста-
вят вопрос о том, что когда шло преобразование вос-
становленной мантии, исчезал метан и водород и фор-
мировался водород и углекислота, что это могло быть
связано с комплексом процессов.
Например, предполагается, что на последних ста-
диях аккреции Земли углистые хондриты выпадали
на поверхность, они содержат воду, СО2, углерод. И
эта оболочка дала нам, собственно говоря, эти оки-
сленные летучие компоненты. Есть и другие гипоте-
зы, очень важные тоже и имеющие обоснование. Кро-
ме диссипации водорода, может быть, играла какую-то
роль диссипация кислорода. Сейчас экспериментато-
ры померили скорость диффузии водорода в кристал-
лах, и она действительно оказалась достаточно высо-
кой, чтобы в короткие времена при подъёме глубинно-
го вещества (в виде конвективного течения или струй
каких-то) этот водород терялся и диссипировал. И то-
гда мы будем иметь накопление кислорода. Есть и дру-
гие реакции есть реакции перераспределения трехва-
лентного железа, это тоже может приводить к высвобо-
ждению кислорода, это недавнее открытие, для очень
высоких давлений, но это отдельный вопрос.
Но вынуждены тоже рассматривать и участие ядра.
И выдвигается гипотеза, о которой я хотел спросить, о
том, что, может быть, на ранних этапах…


Обзор темы


Не будучи в состоянии заглянуть на сколько-нибудь вглубь планеты (при радиусе Земли более 6000 км самая глубокая Кольская скважина — 12км), наука пользуется опосредованными сведениями о внутреннем строении Земли. О глубинном строении судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Таким образом, выделяют три главные области: земная кора; мантия (верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км); ядро Земли (внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км).
Ядро Земли. Средний радиус Земли ~ 6371 км. Ядро Земли занимает ее центральную область с радиусом 3480 км; объем ядра составляет 16%, а масса около 32% полной массы. Граница, разделяющая две наиболее мощные геосферы Земли (мантию и ядро), располагается на глубине около 2900 км. На границе раздела между ядром и мантией происходит скачкообразное изменение физических свойств: плотности, скорости продольных волн и др. Полярный радиус ядра меньше экваториального примерно на 10 км, что приводит к различиям в глубине залегания границы ядро-мантия. Сейсмологические наблюдения обнаруживают вблизи этой границы (так называемая граница DІ) некоторый гетерогенный слой протяженностью порядка 100–200 км, с которым связывают подъем разуплотненного мантийного вещества (диапиры), проявляющегося в виде «горячих точек» на поверхности Земли (Гавайи, Исландия). Одна из наиболее интересных особенностей ядра заключается в его строении и агрегатном состоянии. В самом ядре выделяют две зоны: внешнее жидкое ядро на глубинах 2890–5150 км и внутреннее твердое ядро на глубинах 5150–6371 км. Вторая особенность, вытекающая из первой, состоит в том, что в ядре формируется собственное магнитное поле Земли, с которым связаны многие современные достижения геологии и геофизики (палеомагнитные исследования позволили обнаружить крупномасштабные движения континентов в прошлые геологические эпохи и разрастание дна океанов). Открытие земного ядра сыграло исключительную роль в науках о Земле и привело к интенсивному развитию сейсмологии и экспериментальных методов изучения земного вещества при сверхвысоких температурах и давлениях. Как отмечает, например, Г. И. Кузьменко, автор статьи «Глубинные процессы Земли», в последнее время акценты в изучении глубинных процессов Земли смещаются с коры и мантии на земное ядро, причем «на важнейшую роль ядер в энергетике космических тел обращают внимание и астрофизики».
Из статьи Г. И. Кузьменко: «Именно там (в ядре) рождается не меньше тепла, чем в радиоактивных материалах коры. Именно там — для классической теории — больше всего неясных явлений. Следует поэтому внимательней отнестись к предположениям о существенном уточнении температур внутри ядра и возможности там некоторого плазменного состояния».
Открытие ядра. 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.
Вопрос о формировании ядра. 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.



Мантия. Выше были описаны проблемы стоящие перед наукой связанные с происхождением, составом, эволюцией ядра. Относительно других геосфер у науки не меньше вопросов. Главным направлением исследований А. А. Кадика является изучение планетарной дегазации, связанной с плавлением коры и мантии. Он является одним из создателей теории взаимодействия летучих компонентов с магматическими расплавами.
Вопрос о флюидах (газах) мантии Земли, их влияние на взаимодействие геосфер, вулканизм и дегазация Земли. Флюидная (газовая) фаза Земли, представленная летучими компонентами O2, Н2О, СО2, Н2, СН4, N2, соединениями S, Cl, F, благородными газами, является наиболее подвижной составляющей планетарного вещества наряду с расплавами (магмами) и металлической фазой. Ее перераспределение в геологическом времени в теле Земли под воздействием гравитационных и тектонических сил, плавления и формирования металлического ядра привели к образованию атмосферы, гидросферы. Компоненты глубинных флюидов играли решающую роль в создании условий для возникновения жизни на границе твердой Земли с возникающей атмосферой и гидросферой Флюиды способны растворять многие химические элементы Земли. Они ответственны за извлечение и перенос петрогенных элементов, метасоматическое преобразование коры и мантии. Установлено существенное влияние флюидов, прежде всего воды, на механические свойства пород, которое может играть определяющую роль в перемещении блоков литосферы, геодинамике глубинного вещества мантии и горообразовании.
Флюидная динамика в недрах планеты имеет сложную природу. Это: 1) миграция газов в межкристаллическом пространстве твердой Земли и их перемещение в теле планеты при конвекции; 2) растворение в расплавах мантии и перенос вместе с магмами к поверхности Земли; 3) растворение в металлической фазе при формировании ядра Земли с последующим высвобождением на границе ядро — мантия; 4) циклы летучих компонентов, связанные с погружением литосферных плит в мантию; 5) наиболее глобальное перемещение летучих компонентов связано с формированием горячих струй, осуществляющих вынос глубинного вещества к поверхности Земли, на границе мантии с ядром.
Таким образом, состав флюидов и их распределение в пространстве и времени находятся в сложной зависимости от химического состава глубинных слоев Земли и особенностей геодинамических сред. Многие стороны этих зависимостей остаются непознанными. Выяснение их природы является актуальным для выяснения вклада газовой и флюидной фазы в формирование и взаимодействие геоcфер Земли, ее литосферных и астеносферных слоев. Как свидетельствуют эксперименты, флюиды могут оказывать существенное влияние на геофизические свойства вещества Земли. Выяснение этого влияния необходимо при интрепретации природы геофизического строения литосферных и астеносферных слоев верхней мантии.
Направления исследований. Эволюция состава флюидов мантии в геологическом времени. Геохимические и геофизические теории предполагают эволюцию состава флюидов мантии в геологическом времени, определяемую изменением баланса кислорода в недрах планеты при ее дифференциации. Эти изменения связывают с повышением летучести кислорода в верхних слоях мантии, с уменьшением доли СН4, Н2, СО и значительным увеличением доли Н2О, СО2 в литосферных и астеносферных слоях современной верхней мантии. Одной из предполагаемых причин этого явления может быть изменение геодинамики планетарного вещества, начало тектоники плит и активного формирования астеносферных диапиров. В целом многие стороны эволюции остаются неясными и спорными.
Перераспределение кислорода в недрах планеты. Химическая дифференциация Земли тесным образом связана с перераспределением кислорода в недрах планеты. Этот процесс находит свое прямое отражение в стратификации окислительно-восстановительного состояния глубинного вещества (летучести кислорода). Он является определяющим в формировании «восстановленных» и «окисленных» флюидов в истории Земли, в изменении состава вулканических газов в геологическом времени, в обогащенности литосферных и астеносферных слоев Н2О и СО2. С изменением баланса кислорода в недрах планеты связаны и другие геохимические процессы (фракционирование сидерофильных элементов, плавление, изменение растворяющей способности флюидов в отношении химических элементов мантии и их концентрирование в виде рудных месторождений). Познание механизмов, которые определяют потенциал кислорода в недрах планеты, является одной из новых областей фундаментальных исследований в геологии.
Плавление мантии и дегазация Земли. Металлическая фаза, продукты плавления (магмы), флюиды (газы) планетарного вещества играют исключительную роль в химической дифференциации Земли, формировании оболочек ввиду их исключительной подвижности в гравитационном поле Земли, при этом движение (подъем) магм и газовых компонентов тесно связаны друг с другом. Это прежде всего определяется тем летучие компоненты Земли обладают способностью к высокой растворимости в магмах при высоких давлениях. В такой растворенной форме они выносятся к поверхности Земли и высвобождаются в виде вулканических газов во время извержений. В понимании этих явлений ключевую роль сыграли эксперименты при высоких давлениях, которые соответствуют давлениям в мантии Земли.
Летучие и геодинамика планетарного вещества. Связь поведения летучих компонентов Земли (флюидов) с геодинамикой глубинного вещества: конвективными течениями в мантии, формированием горячих мантийных струй, погружением литосферных слоев в мантию.
Декомпрессионное плавление мантии как неизбежное следствие течения планетарного и летучие Земли. Декомпрессионное плавление мантии при восходящем течении ее вещества, роль летучих компонентов в его возникновении и реализации. Один из главных компонентов флюидов -вода является тем компонентом мантии, который приводит к существенному понижению температур плавления пород. Отсюда вытекает исключительная роль воды в плавлении Земли, в ее дегазации при вулканической активности на поверхности планеты.
Магнитное поле Земли. По сей день загадкой для ученых остается происхождение магнитного поля, хотя существует много гипотез для объяснения этого феномена. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли. Проблема происхождения магнитного поля Земли до настоящего времени не может считаться окончательно решенной, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев — больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра — во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли. Для «запуска» подобного процесса необходимо начальное, хотя бы очень слабое, магнитное поле, которое может генерироваться гиромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.
Из статьи Н. В. Короновского «Магнитное поле геологического прошлого Земли»:
Не вдаваясь в довольно сложные характеристики видов намагниченности горных пород и факторов, ее определяющих, подчеркнем ведущую для палеомагнитологии (науки, изучающей геомагнитное поле прошлых геологических эпох — прим. редактора) роль естественной остаточной намагниченности. Этот вид намагниченности, будучи однажды приобретенным породой, при благоприятных условиях сохраняется длительное время.
[…] Проводя замеры следов геомагнитного поля геологического прошлого в массовом порядке в горных породах различного возраста и на разных континентах, а также при бурении глубоководных скважин в океанах, мы получаем возможность выявить эволюцию геомагнитного поля Земли, как бы восстановить его историю.
[…] Иверсии магнитного поля — это смена знака осесимметричного диполя. В 1906 году Б. Брюн, измеряя магнитные свойства неогеновых, сравнительно молодых лав в центральной Франции, обнаружил, что их намагниченность противоположна по направлению современному геомагнитному полю, то есть Северный и Южный магнитные полюса как бы поменялись местами. Наличие обратно намагниченных горных пород является следствием не каких-то необычных условий в момент ее образования, а результатом инверсии магнитного поля Земли в данный момент. Обращение полярности геомагнитного поля — важнейшее открытие в палеомагнитологии, позволившее создать новую науку магнитостратиграфию, изучающую расчленение отложений горных пород на основе их прямой или обращенной намагниченности. И главное здесь заключается в доказательстве синхронности этих обращений знака в пределах всего земного шара. В таком случае в руках геологов оказывается весьма действенный метод корреляции отложений и событий. Обращение знака геомагнитного поля, как уже говорилось, не могло быть объяснено в рамках теории однодискового динамо. В 60-х годах 20 века известный японский геофизик Т. Рикитаки предположил, что каждую конвективную ячейку или вихрь в жидком внешнем ядре можно считать как бы одним диском динамо. Модель простейшего двухдискового динамо показала, что ток от диска 1 перетекает в диск 2, генерируя магнитное поле — ток от которого, в свою очередь, усиливает магнитное поле около диска 1. Токовая, а следовательно, и магнитная переменная колеблются сначала около некоторого стационарного состояния, а затем, увеличивая амплитуду, внезапно начинают испытывать колебания уже вокруг другого стационарного состояния (по Т. Рикитаки, 1968). Таким образом, моделируется возможность инверсий магнитного поля. В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет.
Температура Земли на больших глубинах. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами. Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 10 С — геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20–50o, а геотермической ступени -15–45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30oС на 1 км. По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200–1250o. Учитывая этот своеобразный «термометр», ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300–1500oС. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20–30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Вопрос о распределении температур в нижней мантии и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Предполагают, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени (предположительная температура в ядре Земли находится в пределах 4000–5000o С).
Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть ее отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного Землей солнечного тепла неодинаково для различных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20–30 м.
Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Тепловой поток измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду — мккал/см2.с. По многочисленным данным, средняя величина теплового потока принимается равной 1,4–1,5 мккал/см2.с. Однако исследования, проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах. Разнообразие величин теплового потока, по мнению ученых, связано с неоднородными тектономагматическими процессами в различных зонах Земли.
Каковы же источники тепла внутри Земли? В соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции газово-пылевых частиц протопланетного облака в виде холодного тела. Следовательно, внутри Земли должны иметься источники тепла, создающие современный тепловой поток и высокую температуру в недрах Земли. Одним из источников внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов 238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb. Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26Al, 38C1 и др. Вторым источником тепловой энергии предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне ядра и, возможно, в слое верхней мантии. Но значительная часть тепла, связанная с гравитационной дифференциацией, по-видимому, рассеивалась в пространстве, особенно в начале формирования планеты. Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем. Тем не менее, перечисленными причинами может объясняться возникновение только части тепла, которое выделяется на границе мантия-ядро, и вопрос об источниках тепла внутри Земли на сегодняшний день остается открытым и одним из самых интересных.
Химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды (впрочем, это лишь предположение, что мантия и кора содержат вещество, состав которого в среднем близок к составу метеоритов). К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90–91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.
Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, согласно которой, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам — О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.
Химический состав ядра. В середине XX в. проблема химического состава ядра Земли оказалась в центре дискуссии таких дисциплин как космогония, геохимия и геофизика.
В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Однако в последующих экспериментах по ударному сжатию было показано, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, нежели плотность ядра. Впоследствии, гипотеза водородного ядра претерпела определенную трансформацию и сейчас находит свое отражение в моделях гидридного ядра, согласно которым распад гидридов служит поставщиком летучих и энергии, идущей на разогрев Земли.
Кардинальные противоречия возникли между двумя классами гипотез: железо-никелевого (с примесями других легких элементов) ядра и не железного ядра, состоящего из металлизованных силикатов или оксидов, т. е. из вещества горных пород, перешедших в металлическое состояние под действием сверхвысокого давления.
В. Н. Лодочников и У.Рамзей предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро). С космогонической точки зрения основное преимущество этой гипотезы состояло в том, что она не встречает трудностей при объяснении происхождения плотных ядер Земли и Венеры: ядро образуется, когда давление в центре растущей планеты достигает критического значения. Кроме того, эта гипотеза устраняла бы различие между Землей и Луной в содержании железа.
В последующем более строгая проверка гипотез о химическом составе ядра осуществлялась посредством сопоставления лабораторных измерений плотности и упругости различных веществ при высоких температурах и давлениях с геофизическими данными по изменению этих параметров в недрах Земли. Эксперименты по статическому и ударному сжатию железа и его сплавов с никелем (основной компоненты железных метеоритов) и другими элементами, а также породообразующих минералов (оливина, пироксена и др.) позволили сделать более определенные выводы о составе ядра.
Сейчас хорошо известно, что практически все известные в природе минералы претерпевают полиморфные превращения при высоких давлениях и температурах. На глубинах переходной зоны (400–650 км) и нижней мантии (650–2900 км) оливин преобразуется в минерал со структурой шпинели, пироксен и гранат — в минералы со структурой ильменита и перовскита. Кварц имеет серию фазовых превращений с образованием плотной рутиловой структуры — стишовита при давлениях порядка 100 кбар и 1000оС, обнаруженного в ударных кратерах и некоторых метеоритах. Стишовит не является конечным звеном в цепи полиморфных превращений; теоретическими и экспериментальными методами предполагается существование еще более плотных модификаций SiO2. Но даже в плотных пост-стишовитовых структурах не достигается плотность, характерная для зоны внешнего ядра. Кроме того, нельзя забывать, что для подтверждения гипотезы о металлизованном силикатном ядре любой минерал, образующийся в финале фазовых преобразований, помимо плотности, сопоставимой с плотностью ядра, должен иметь соответствующую скорость звука и обладать металлической проводимостью. Реальных доказательств этого не обнаружено.
Таким образом, совокупность лабораторных экспериментов и сейсмических данных показывает несостоятельность концепции металлизованного ядра Земли и приводит к выводу, что границу мантия-ядро следует рассматривать не как фазовый переход, а с точки зрения изменения химического состава, т. е. как границу раздела между силикатной мантией и железным ядром — граница Dўў.
Мантия и ядро не находятся в термодинамическом равновесии и вследствие этого силикатное вещество мантии растворяется в расплавленном материале Fe-ядра. В результате такого химического взаимодействия на границе Dўў может происходить дифференциация вещества с образованием железо-никелевого расплава, содержащего серу, кислород и кремний и формирующего внешнее ядро Земли. Как вытекает из анализа данных сейсмической томографии, процессы подобного типа приводят к термическим и композиционным неоднородностям в подошве нижней мантии мощностью около сотни километров, ответственным за крупномасштабные тектонические движения в мантии Земли (подъем диапиров и формирование вулканических «горячих точек»).
Железо имеет несколько полиморфных превращений. При низких давлениях устойчива модификация a-Fe, которая при P>100 кбар преобразуется в плотноупакованную фазу (e-Fe), устойчивую при высоких температурах вплоть до 3 Мбар. Предполагается, что как внешнее, так и внутреннее ядро сложены в основном e-фазой железа, но в разных агрегатных состояниях. Физические свойства железа (плотность, температура плавления) при Р-Т параметрах ядра моделировались экспериментальными и теоретическими методами. Довольно надежно установлено, что на границе ядро-мантия (1.36 Мбар) Тпл (e-Fe)=3000–3500 К.
На границе внешнее-внутреннее ядро (3.3 Мбар) Тпл (e-Fe)=4900–6000 К; при этих Р-Т параметрах плотность жидкого железа ~12.8 г/см3, что на 5–6% превосходит плотность внешнего ядра (r=12.14 г/см3) по сейсмологическим моделям. Плотность твердой e-фазы железа при 3.3 Мбар и 5400 К оценена равной 13.0 г/см3, что на 2–3% больше, нежели плотность внутреннего ядра на его границе с внешним, табл. 1.
Следовательно, эксперименты и теория показывают, что плотность чистого железа и тем более никелистого железа превышает плотность вещества как внешнего, так и внутреннего ядра Земли. Эти исследования подтвердили гипотезу о несостоятельности чисто железного или железо-никелевого ядра: Fe-Ni ядро имеет слишком высокую плотность и слишком низкую скорость звука и поэтому не удовлетворяет геофизическим данным. Отсюда с необходимостью вытекает предположение о вхождении более легкого элемента (элементов) в состав ядра: в количестве до ~ 10 мас.% для внешнего и ~ 2–5 мас.% для внутреннего ядра. На роль таких легирующих компонентов, имеющих достаточно высокую распространенность в природе, теоретически могут претендовать кислород, водород, углерод, сера и кремний. Однако, водород и углерод (летучие элементы) могли быть потеряны в период аккреции.
В космохимическом и геофизическом отношении наиболее предпочтительными легирующими компонентами ядра считаются сера, кремний и кислород. Из космохимии и метеоритики известно об образовании сплавов в системах Fe-S, Fe-Si и Fe-S-Si уже на ранней стадии конденсации вещества протопланетного облака и об их существовании в хондритах разных классов. Новейшие исследования показали, что растворимость FeO в жидком железе, ограниченная первыми процентами при низких давлениях, становится весьма существенной при сверхвысоких давлениях.
Космохимические данные и анализ межпланетной пыли свидетельствуют, что сера, конденсирующаяся из газа солнечного состава в виде сульфида железа (троилит или пирротин — наиболее распространенные минералы метеоритов), представляет собой один из основных элементов-примесей, входящих в состав металлической фазы хондритов и планетарных ядер. Эти соображения по вхождению серы в ядро (хондриты содержат около 6 мас.% FeS) получили поддержку в работах по исследованию системы Fe-FeS при высоких Р-Т параметрах в статических и динамических условиях. Современное состояние проблемы химического состава ядра Земли не позволяет отдать предпочтение какому-либо одному из перечисленных элементов-примесей. Содержание порядка 6–10 мас.% серы, кислорода и кремния во внешнем ядре не противоречит геофизическим данным. Не исключено, что все три элемента могут входить в состав внешнего ядра, но эта проблема еще недостаточно изучена.

Библиография


Ботт Н. Внутреннее строение Земли. М., 1974
Буллен К. Е. Плотность Земли. М., 1978
Жарков В. Н. Внутренне строение Земли и планет. М., 1983
Кадик А. А., Френкель М. Я. Декомпрессия пород коры и верхней мантии как механизм магмообразования. М., 1982
Кадик А. А., Луканин О. А. Дегазация верхней мантии в процессе плавления. М., 1986
Кадик А. А. Влияние окислительно-восстановительного состояния планетарного вещества на формирование углерод-насыщенных флюидов в верхней мантии//Вестник ОГГН РАН. 1999. № 4 Кузьменко Г. И. Глубинные процессы Земли//Геофизический журнал. Т. 22. 2000
Ларин В. Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М., 1980
Кусков О. Л., Хитаров Н. И. Термодинамика и геохимия ядра и мантии Земли. М., 1982 Магницкий В. А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965
Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли. М, 1968
Рингвуд А. Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981
Kuskov O., Kronrod V. Co-sizes of the Earth’s and Jupiter’s satellites//Icarus. 2001. V. 151 Тема № 243(20)

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

  • Vlad 2012-05-13 04:35:01

    три умных дяди говорят непонятными для популярного языка терминами и напоминают разговор трёх дурачкив. не проще ли сослаться на теорию владимира ларина о происхождении солнечнй системы и земли и всем всё станет понятно.в популярной форме эту теорию хорошо изложил журналист александр никонов

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X