Земля як геохімічна система. Будова і склад Землі та інших планет.
1. Оболочки Земли и их состав. Состав планет солнечной системы
2. Строение и состав земной коры
3. Состав гидросферы и атмосферы Земли.
1. Оболочки Земли и их состав. Состав планет солнечной системы
В середине XXв английскими геофизиками Г.Джеффрисом и К.Булленом по сейсмическим данным были выделены верхняя мантия (до 400км), переходная зона (400-1000км) и нижняя мантия (1000-2900км).
На рис. 5.1 представлено внутреннее строение Земли с изменением плотности земного вещества. В центре Земли расположено внутреннее твёрдое ядро (слой G). Оно имеет радиус около 1300 км и максимальную плотность. Далее идёт жидкое внешнее ядро (E) которое простирается до 3500 км от центра Земли. Жидкое и твёрдое ядро разделяет переходный слой (F) около 200 км. Твердое ядро как бы “плавает” в жидком ядре.
На границе ядра наблюдается скачкообразное падение скорости сейсмических волн (от 13.6 до 8 км/с). Внутри ядра скорость постепенно возрастает и увеличивается скачком на границе внутреннего ядра (до 11.3 км/с). В твёрдом ядре скорость распространения сейсмических волн практически не меняется. Мощность мантии 2900 км. Ядро и мантию разделяет переходный слой (D’) около 200 км, в котором скачком снова изменяются характеристики среды. Нижняя мантия - слой D (толщиной 2000 км). Верхняя мантия делится на слои В и С (толщиной 850-900 км).
глубине около 100 км под континентами и на глубине около 50 км под океанами. Нижняя граница астеносферы находится на глубине 250-350 км. Вязкость вещества в астеносфере резко уменьшается по сравнению с окружающими астеносферу слоями, а температура вещества – наоборот, повышается до 1500º - 1800ºС и близка к температуре плавления. В астеносфере обычно лежат очаги, подпитывающие вулканы.
Лежащий ниже астеносферы слой С называют слоем Голицына, он характеризуется быстрым нарастанием скорости сейсмических волн с глубиной. Предполагается также увеличение плотности вещества с глубиной.
В нижней мантии плотность вещества постепенно возрастает, а на границе ядра скачкообразно меняется в переходной зоне до 10 г/см3. Затем плотность с глубиной продолжает постепенно расти - до 12.5 г/см3 в центре Земли. Давление растёт с глубиной, но температура мантии не превышает температуру плавления.
Наружная сфера “твёрдой Земли” - земная кора. Это самая неоднородная и сложная земная сфера.
Кора отделяется от мантии поверхностью Мохоровичича (Мохо), именно здесь скачком изменяется плотность вещества (с 2.9-3.0 г/см3 до 3.1 - 3.5 г/см3) и возрастают скорости сейсмических волн.
Слой В называют слоем Гутенберга или астеносферой. Верхняя граница Астеносферы расположена на
Верхняя мантия неоднородна, так как скорость прохождения сейсмических волн в ней изменяется от 7,5 до 9,0км/с. Её термодинамические параметры также изменяются в пространстве. Например, в юго-западной части Тихого океана на уровне поверхности Мохо температура не превышает 3000С, а на территории Альпийской складчатой зоны юга СССР равна 800-10000С. Меняется и величина давления (в 6-7 раз).
На глубинах 100-200км расположен вязкий пластичный (расплавленный?) слой с пониженной скоростью распространения сейсмических волн, получивший название астеносферы. Последняя ярко выражена в складчатых областях и местами почти отсутствует на платформах.
Выше астеносферы вещество находится в твёрдом состоянии. Эту оболочку часто именуют литосферой. Данный термин используется и как синоним твёрдой земной коры (не включая в литосферу верхнюю мантию). Учитывая, что тектонические и магматические явления связаны с земной корой и верхней мантией, их нередко также объединяют в тектоносферу Земли.
В.С.Соболев полагает, что в верхней мантии преобладают гипербазиты, которые чередуются с основными породами (эклогитами). Плавление вещества происходит на глубинах 100-150км (т.е. в астеносфере), причём магмы образуются в результате частичного или полного плавления основных пород. Согласно модели А.Рингвуда, составу верхней мантии отвечает смесь трёх частей ультраосновных пород и одной щёлочного базальта. Эту смесь он назвал пиролитом (пироксено-оливиновая порода). Содержание основных металлов в пиролите (кроме Fe) соответствует их содержанию в хондритах и солнечной фотосфере. При подъёме пиролита к поверхности (например, в зоне срединно-океанических хребтов) он частично расплавляется, образуется базальтовая магма и остаточный нерасплавленный перидотит.
При изучении верхней мантии используются наряду с геофизическими и петрологическими и геохимические методы (изучение газов, поступающих по глубинным разломам и др.). Для установления мантийной природы газов индикаторное значение имеют изотопные отношения гелия (3Не:4Не), аргона, углерода, серы и т.д. Глубинные газы, вероятно, мантийного происхождения установлены в Исландии и других рифтовых зонах. Для них характерны СО, Н2, СН4.
.
Рис. 5.1. Строение Земли с глубинами геосфер и изменение плотности земного вещества с глубиной
Образование базальтового слоя земной коры большинство исследователей связывают с дифференциацией верхней мантии. А.П.Виноградов предполагает, что в верхней мантии за счёт радиоактивного распада существуют подвижные локальные очаги расплавленных пород. Если температура на верхней в нижней границе такого очага различна, то в расплаве возникает конвекция, легкоплавкие компоненты двигаются кверху, опережая тугоплавкие.
А.П.Виноградов и А.А.Ярошевский провели эксперимент с хондритамн. Хондриты в форме цилиндра последовательно расплавляли на разных участках (снизу вверх). В результате такого зонного плавления в нижней части цилиндра образовалось стекло, по составу отвечающее ультраосновным породам, а в верхней – базальтам. По Виноградову, механизм выплавления вещества земной коры из верхней, мантии аналогичен «зонной плавке», хорошо изученной в металлургии. Для объяснения формирования базальтового слоя привлекаются и другие механизмы. Так, некоторые учёные считают, что базальтовый слой мог образоваться за счёт селективного выплавления из мантии и всплывания базальтовых астенолитов.
Переходная зона, нижняя мантия и земное ядро
При изучении переходной зоны, нижней мантии и ядра большое значение наряду с сейсмическими данными имеет использование ультразвуковых и ударно-взрывных волн. Гипотезы о составе нижней мантии и ядра в ещё большей степени, чем гипотезы о составе верхней мантии, основаны на данных о метеоритах. Полагали, что метеориты представляют собой осколки планеты, причём железные метеориты образовались из её ядра, а каменные – из мантии.
Переходная зона (слой C), вероятно, также имеет силикатный состав. Её большую плотность объясняют фазовыми превращениями – образованием минералов с более плотной упаковкой (стишовита, шпинели, периклаза и др.). Предполагают, что и нижняя мантия (слой D) имеет силикатно-окисный состав. По элементарному составу её обычно сравнивают с каменными метеоритами, в которых наиболее распространены следующие элементы:
Кислород – 35
Железо – 25
Кремний – 18
Магний – 14
Сера – 2,0
Алюминий – 1,3
Кальций – 1,40
Никель – 1,35
Натрий – 0,7
Хром – 0,25
Марганец – 0,20ооо
Σ=99,2%
Если верна гипотеза о сходстве состава нижней мантии с каменными метеоритами, то нижняя мантия сильно отличается от земной коры, хотя в ней всё ещё преобладает кислород. Второе место в составе нижней мантии занимает железо и лишь третье место – кремний. Высоки кларки магния, никеля, серы, сравнительно малы – кальция и алюминия.
По сейсмическим данным большая часть земного ядра находится в жидком состоянии (внешнее ядро) и только на глубинах более 5100км залегает твёрдое внутреннее ядро с плотностью около 12–13г/см3. В основе гипотезы о железо-никелевом ядре Земли лежит предположение о близости состава ядра к составу железных метеоритов. Последние содержат в среднем 80,78% Fe, 8,59% Ni и 0,63% Co.
Эксперименты при высоких давлениях, отвечающих ядру Земли (более 2,5·1011Па), показали, что сплав, состоящий из 90% Fe и 10% Ni, имеет свойства, близкие к свойствам земного ядра, определённым геофизическими методами. Отличие состоит в несколько большей плотности этого сплава и несколько меньшей скорости распространения упругих волн. В связи с этим считают, что в ядре имеется примесь лёгких элементов – кремния, серы, алюминия, кислорода.
На основе различных космогонических и прочих данных (господство водорода в космосе и др.) развиваются также представления о гидридном и карбидном ядре Земли. По этой гипотезе внутреннее твёрдое ядро состоит из гидридов и карбидов. Во внешнем ядре происходит их разложение с образованием свободных металлов (Fe, Ni, Co), водорода и метана, которые мигрируют в мантию и определяют развитие там восстановительных процессов. В нижней мантии господствуют свободные металлы или же они сосуществуют с силикатами и окислами. Водород и метан проникают и в земную кору (В.Н.Ларин, Н.П.Семененко).
А.Ф.Капустинскйй предполагал, что в земном ядре вследствие огромного давления нарушается электронная структура атомов, исчезает их химическая индивидуальность и все элементы приобретают одинаковые свойства (вещество состоит из ядер атомов, находящихся в электронной плазме, общей для всех ядер). Подобное состояние вещества определяет однообразие земного ядра, отсутствие различий между химическими элементами. Это зона "нулевого химизма", "центросфера".
В мантии под влияние сильного давления изменяются химические свойства атомов, так как электроны переходят на незаполненные внутренние орбиты. Это зона "вырожденного химизма", или "интерсфера" (вещество близко к металлическому состоянию, хотя и имеет силикатный состав).
Химические свойства элементов, соответствующие их положению в периодической системе, проявляются только в зоне "нормального химизма", или "перисфере", отвечающей земной коре и верхам мантии.
Средний состав Земли. Геофизические данные о строении Земли (кора, мантия, ядро), сведения о средней плотности нашей планеты, о составе метеоритов позволили рассчитать гипотетические кларки Земли в целом. Исходное вещество Земли принимают близким к хондритам. По В.Рама-Мурти и Г.Холлу, наиболее вероятно, что состав Земли соответствует смеси 40% материала типа углеродистых хондритов, 50% обычных хондритов, 10% железных метеоритов.
По расчётам американского геохимика Б.Мейсона Земля в основном состоит из четырёх элементов, среди которых преобладает железо (35%). Кислород занимает второе место (30%), кремний – третье (15%), магний – четвёртое (13%). В сумме первые четыре элемента дают 93% состава Земли. Далее следуют никель (2,4), сера (1,9), кальций (1,1), алюминий (1,1) и натрий (0,57%).
Луна. Изучение Луны вступило в такую стадию, что можно уже говорить о геохимии Луны. Ценная информация получена с помощью аппаратов, совершивших мягкую посадку на поверхность Луны («Луна-16, 20», «Аполлон-11, 12» и др.) и доставивших на Землю лунные породы.
85% лунной поверхности составляют так называемые материки и лишь 15 % – моря. Материковые породы представляют собой брекчии, состоящие из обломков анортозитов, троктолитов и норитов, в меньшей степени базальтов. Характерна микропримесь метеоритного вещества. Породы образовались из расплава и в дальнейшем испытали удары метеоритов, вызвавшие их раздробление, а возможно и частичное плавление (базальты). Материковые породы формировались в сильно восстановительных условиях (в них обнаружено самородное железо). Характерен дефицит летучих компонентов, в частности отсутствие минералов, содержащих воду и СО2. Возраст пород очень древний – 4,4-4,6млрд. лет (но есть и более молодые – 3,9-4,1).
Лунные моря сложены базальтами, излияния которых происходили 3,8-3,1, возможно, 2млрд. лет назад. По составу они в общем сходны с земными базальтами, отличаются от них меньшим содержанием трехвалентного железа и летучих компонентов (Н2О, СО2).
У Луны нет гранитного слоя и, конечно, нет осадочных пород, так как там отсутствуют атмосфера и гидросфера. На поверхности Луны имеется слой мелкозема – так называемый реголит. Космические лучи, достигая поверхности Луны, осуществляют в реголите ядерные реакции. Так, в нем обнаружены изотопы гелия 3Не, неона 20Ne, натрия 22Na, алюминия 26Al. Возможно, что с действием космических лучей связано и присутствие в поверхностном слое реголита следов железа, алюминия, кремния и титана в восстановленной (элементарной) форме.
В целом Луна значительно менее дифференцированное небесное тело, чем Земля. Её средняя плотность равна 3,34г/см3, плотность поверхностных пород – 3,1-3,2г/см3.
Звёзды. Спектральный анализ позволил определить химический состав звезд, в том числе Солнца. На поверхности Солнца при температуре около 60000С существуют атомы и даже некоторые молекулы и радикалы – O2, С2, ОН, СН, MgF, CN, SrF и т.д. Всего в спектре солнечной атмосферы открыто до 72 элементов, среди которых абсолютно преобладают водород и гелий.
В центральных частях звёзд высокие температуры сочетаются с высокими давлениями. Это определяет особые формы существования вещества. Так, в центре Солнца температура колеблется около 107К, а давление достигает 1016Па. В этих условиях вещество состоит из голых атомных ядер и свободных электронов, т.е. представляет собой полностью ионизированную плазму. В центре звезд-гигантов температура достигает 108К. В целом для звезд характерно электронно-ядерное состояние вещества. Теоретически возможно и нейтронное состояние с ядерной плотностью. Возможно, что к таким нейтронным звёздам относятся пульсары (источники мощного пульсирующего радиоизлучения).
Полагают, что в центральных частях звёзд при высоких температурах и давлениях происходит синтез атомных ядер, т.е. протекают ядерные реакции. За счет «сгорания» ядер водорода возникают ядра гелия, причём в этой реакции участвуют ядра углерода и азота. В результате подобного «цикла Бете» (по имени предложившего его американского физика) при синтезе 4г гелия выделяется 3·1012Дж энергии. Эта реакция – один из возможных источников солнечной энергии.
Ядра тяжелых элементов, вероятно, возникают в результате различных реакций:
Таким образом, в химическом отношении звёзды являются довольно простыми системами. Доступная для изучения часть Вселенной имеет в основном водородно-гелиевый состав. Космохимия оказалась однообразнее и, пожалуй, проще геохимии.
Примечание: Состав планет – дать для самостоятельной проработки