книги / Основы геохимии

концентрация очагов глубокофокусных землетрясений. Это наводит на мысль, что в пределах переходного слоя происходят изменения состава и состояния глубинного вещества. По-видимому, в переходном слое протекают активные процессы, вызывающие тектонические и магматические движения в вышележащих слоях Земли. Во всяком

Рис. 25. Строение и некоторые свойства Земли

случае динамически активная зона Земли охватывает кору, верхнюю мантию и переходный слой.

Для суждения о составе и состоянии вещества в недрах Земли необходимо знать изменение давления и температуры с глубиной. Более надежно оценивается давление, которое с глубиной постепенно

тур. Твердое состояние большей части объема Земли свидетельствует о том, что вплоть до границы с ядром температуры нигде не превыша­ ют точки плавления материала на глубине, за исключением некоторых локальных очагов в верхней мантии.

112

нических поднятий с выносом мантийного материала. Так, к мантий­ ному материалу, по всем геологическим данным, относятся горные по­ роды островов св. Павла в средней части Атлантического океана, обломки пород, собранные советскими океанографическими экспеди­ циями со дна Индийского океана в области Индоокеанского хребта (результаты исследований обобщены Л. В. Дмитриевым, 1969). Хими­ ческий состав мантии, выведенный по аналогии с составом хондритовых метеоритов, а также на основании изучения глубинных пород мантии представлен в табл. 25.

Последние данные показывают, что под материками граница Мохоровичича преимущественно химическая (габбро— перидотит), но в ряде областей молодой тектонической активности она может быть фа­ зовой (габбро — эклогит). Верхняя часть мантии под океанами имеет перидотитовый состав, который может меняться как в глубину, так и в горизонтальном направлении. Данные по тепловым потокам в раз­ ных частях земного шара, по радиоактивности горных пород, а также измерение особенностей гравитационного поля с помощью искусствен­ ных спутников Земли явно указывают на то, что строение и состав верхней мантии под материками и под океанами разные.

По условиям давления, в верхней мантии перидотитовый материал может находиться в эклогитовой фации. Это способствует образова­ нию перидотитов с эклогитовыми минералами. В породе, близкой по составу к перидотиту, могут возникать следующие ассоциации минералов.

Примечание. 1—в пропорции 10 гарцбургитов Индоокеанского хребта -+■1высокоглино­ земистый базальт; 2 —то же, в пропорции 5 гарцбургитов + 1высокоглиноземистый базальт.

114

Г5К окислам с плотной упаковкой относится стишовит S i02, имею­ щий кристаллическую решетку типа рутила. Он был синтезирован С. Стишовым в СССР в 1961 г. в условиях статического давления по­ рядка 120 000 — 14-109 Па и температуре 1500°С. При нулевом дав­ лении плотность стишовита 4,35 г/см3, а обычного гексагонального кварца — 2,65 г/см3. В связи с этим перед нами открываются благо­ приятные возможности интерпретации строения и состава земных недр, так как Si и О являются ведущими элементами планет земного типа.

Если в зоне С с глубиной происходит распад силикатов и алюмо­ силикатов, то следующий слой D должен состоять из окислов MgO

соединений типа гранатов и шпинелей, устойчивых при высоких дав­ лениях. Следовательно, можно сделать вывод, что нижняя мантия D сложена из смеси окислов с ведущим значением S i02 в форме стишо­ вита. Она представляет собой квазиоднородную среду, состоящую из плотнейшей упаковки ионов кислорода с октаэдрическими пустотами, занятыми ионами Mg, Fe, Si. Кремний переходит из четверной коорди­ нации в шестерную и анионы кислорода максимально приближаются к плотнейшей упаковке. Можно допустить, что в зоне С происходит ряд постепенных переходов в более плотные полиморфные модифика­ ции. Этим объясняется постепенное изменение свойств в этой зоне с глубиной. Однако последнее предположение встречается с некоторы­ ми трудностями: стишовит устойчив только при узких значениях температур и давлений. Кроме того, данная гипотеза не объясняет высокий рост электропроводности в слое С.

В. Магницкий в 1956 г. предположил, что в зоне С происходит переход от преобладающего ионного типа связей в силикатном ве­ ществе верхней мантии В к ковалентным связям в нижней мантии D. Из квантовомеханических расчетов следует, что ковалентная связь

взоне D энергетически более выгодная. Изменение типа химической связи может объяснить повышение электропроводности. При перехо­ де ионной связи к ковалентной уменьшаются межатомные расстояния и увеличивается плотность. Так, например, если в соединениях типа Mg2S i0 4 возникает ковалентная связь, то расстояние Mg — О умень­ шается с 0,210 до 0,195 нм, что приводит к возрастанию плотности на 18%.

Наиболее таинственной и волнующей является проблема строения и состава ядра нашей планеты. Открытие внутри его маленького внут­ реннего ядра на глубине 500 км было учтено К. Булленом в 1947 г., который считал, что ядро Земли состоит из двух физически неоднород­ ных частей. На глубине 2900—5000 км находится никелистое железо

вжидком состоянии, глубже 5000 км (внутреннее ядро) то же нике­ листое железо, но в твердом состоянии.

Граница между мантией и ядром сейсмически выражена очень резко. Она характеризуется полным затуханием поперечных волн увеличением плотности и появлением высокой электропроводности. Исследование собственных крутильных колебаний Земли обнаружило

116

отсутствие сцепления между мантией и ядром, поэтому можно считать установленными, что внешнее ядро (2900—5100 км) находится в жид­ ком состоянии.

За последние годы были получены очень'интересные результаты при проведении опытов по влиянию высоких давлений на темпера­ туру плавления материалов. Оказалось, что ряд элементов в свобод­ ном виде под влиянием высокого давления переходит в жидкое состоя­ ние при относительно невысоких температурах. Японские исследова­ тели Н. Каваи и И. Инокути в 1968 г., основываясь на эксперимен­ тальных данных, подсчитали, что сплав состава Fe,Ni, Si на глубине 2900 км неизбежно под влиянием высоких давлений должен находить­ ся в жидком состоянии уже при температуре 1000°С. На самом деле температура на такой глубине должна быть более высокой. Фазовая диаграмма сплава Fe—Ni—Si представлена на рис. 26.

Тверда

Ш

У поверхности Аявление, Па ядра

Рис. 26. Фазовая диаграмма сплава Fe — Ni— Si, выраженная в размерах Земли:

/, II, III —области твердых фаз, /V—область жидкой фазы

Таким образом, на основании современных данных геофизики и физики высоких давлений можно допустить, что ядро Земли в основ­ ном жидкое. Данные космохимии по распространенности элементов и данные метеоритики показывают, что из всех тяжелых металлов толь­ ко железо встречается в повышенном количестве и в самородном со­ стоянии, и только жидкое железо в сплаве с никелем может обеспечить наблюдаемые свойства земного ядра. Поэтому следует признать, что давно выдвинутая гипотеза железного ядра с примесью других эле­

117

ментов лучше всего согласуется с геофизическими, геохимическими и космохимическими данными.

Расчеты Ф. Берча показали, что плотность земного ядра на 10% ниже плотности железоникелевого сплава при температурах и дав­ лениях, господствующих в ядре. Следовательно, ядро Земли должно содержать значительное количество (10—20%) какого-то легкого элемента.

Из всех возможных наиболее распространенных и легких элемен­ тов наиболее вероятными оказываются Si и S. Присутствие Si или S может объяснить наблюдаемые физические свойства ядра более полно. Однако пути поступления кремния и серы в центральные области Земли резко различны.

А.Рингвуд (1958) допустил присутствие в земном ядре Si на том

основании, что элементарный Si (несколько массовых %) встречается в металлической фазе некоторых сильно восстановленных хондритовых метеоритов (энстатитовых). Поступление Si в ядро Земли могло происходить при двух условиях: при наличии сильных восстанови­ телей в составе первичной Земли, таких как водород и углерод, и в обстановке высоких температур, определяющих течение реакции:

Si02 -f-2H2-» S i + 2H20

S i02 + 2С Si 4- 2СО

Если бы агентом восстановления был водород, то возникло бы огромное количество воды, а это неизбежно должно было отразиться на процессе гидратации силикатов мантии и изобилии воды на Земле в целом, чего в действительности нет. Если же главным агентом восстановления был углерод, то возниковение свободного Si вызвало бы образование массивной атмосферы, состоящей из СО, которая ка­ ким-то образом должна была рассеяться вскоре после аккумуляции Земли. А. Рингвуд предположил, что при таком процессе сера как ле­ тучий элемент должна была быть утеряна Землей. Однако в настоящее время представляется, что указанные выше процессы маловероятны, и значительно’более правдопободно вхождение в ядро Земли серы.

Присутствие серы в земном ядре неизбежно вытекает из сравнения ее распространенности в материале хондритовых метеоритов и мантии Земли'(табл. 26).

Данные табл. 26 свидетельствуют о резком недостатке серы в коре и мантии. В верхних слоях Земли концентрация серы почти на 3 порядка ниже, чем в среднем материале солнечной системы (в качест­ ве последнего принимаются хондриты). В связи с тем, что вопрос о содержании серы на Земле имеет принципиальное значение в оценке состава ее ядра, мы должны рассмотреть его всесторонне. Резкий дефицит серы в коре и мантии нашей планеты мог быть обусловлен следующими обстоятельствами: 1) сера никогда не присутствовала в значительных количествах в том веществе, из которого возникла Земля путем аккумуляции; 2) сера была потеряна Землей при высоких температурах, 3) сера, образовав нелетучие соединения с железом, сосредоточилась в земном ядре.

118

распространенности элементов в различных типах метеоритов пока­ зало, что распространенность серы следует общей тенденции и имеет выдержанный характер независимо от других летучих элементов. В истории фракционирования элементов солнечной системы, зафик­ сированной в хондритовых метеоритах, не отмечается аномального поведения серы в противоположность другим летучим элементам. Это указывает на то, что условия во время формирования твердых тел солнечной системы не могли привести к значительному фракцио­ нированию серы по отношению к другим нелетучим элементам.

Возможность потери серы при высоких температурах первичной Земли также отпадает, поскольку даже более летучие элементы, чем сера (например, Н2 в виде Н20), обнаруживают значительно меньший дефицит. 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 общее количество серы, унаследован­ ное Землей от протопланетного вещества, поступило в ядро вместе с железоникелевым расплавом.

Экспериментальные данные показывают, что при нормальном ат­ мосферном давлении температура плавления системы Fe — FeS 988°С. Тройная система железо-вюстит-троилит (Fe — FeO — FeS) плавится при 915°С. Хотя температура плавления системы Fe — Ni — S — О при высоких давлениях в недрах земного шара неизвестна, но по­ следние опыты показывают, что с ростом давления до 3 109 Па она существенно не меняется. Во всяком случае при прочих равных усло­ виях температура плавления эвтектики F e — FeS значительно ниже, чем температура плавления железа или силиката мантии. Так, при давлении 6 • 10® Па температура плавления эвтектики Fe — FeS

119

990°С, чистого железа Fe — 1610°, пиролита мантии — 1310°С. Поэ­ тому при повышении температуры в недрах Земли железный расплав, обогащенный серой, должен формироваться первым и ввиду своей низкой вязкости и высокой плотности легко стекать в центральные части планеты, образуя железистосернистое ядро. Таким образом, присутствие серы в железоникелевой среде действует в качестве флю­ са, снижая температуру ее плавления в целом.

Э. Рама-Мурти и Г. Холл (1970) наиболее убедительно агрументировали идею о присутствии серы в качестве легкого элемента в зем­ ном ядре. Они приближенно оценили химический состав Земли и сравнили его с составом метеоритов разных типов. Состав Земли по их расчетам и состав метеоритов представлены в табл. 27.

По данным таблицы, ядро содержит 15% массовых серы, массы ядра и мантии относятся как 31 69. В ядре, вероятно, в повышенном количестве по сравнению с мантией присутствуют химические аналоги серы — селен и теллур. Можно также допустить, что недостаток угле­ рода в мантии компенсируется его содержанием в ядре.

Из сравнения данных табл. 27 следует, что валовой химический состав Земли не похож на состав любого класса хондритовых метеори­ тов. Если представленная модель В. Рама-Мурти и Г Холла правиль­ ная и если хондритовые метеориты являются аналогами того мате­ риала, из которого возникла Земля путем аккумуляции, то удовлет­ ворительный состав Земли должен быть представлен как смесь, со­ стоящая из 40% углистых хондритов, 50% обычных хондритов и 10% железных метеоритов. После выделения из такой смеси ядра в мантии останется довольно высокое отношение FeO/MgO, равное примерно 0,3. На самом деле для верхней мантии оно равно приблизительно 0,1. Однако также вероятно, что в нижней мантии пропорция железа увеличивается и отношение FeO/MgO приближается к 0,3. Об этом сви­ детельствует распределение плотности и возрастание скоростей сей­ смических волн в глубинах мантии.

120