IX. Планетохимия и некоторые ее следствия

В разделе II дана исходная планетохямическая посылка — состав планет обусловлен магнитной сепарацией элементов в про-топланетном облаке на стадии его формирования. Вепнемся к это­му положению, обоснуем его дополнительными фактами и рас­смотрим некоторые вытекающие из него следствия.

Естественно предположить, что магнитная сепарация должна была наложить определенный отпечаток на составы внутренних планет. Поскольку они формировались на различных расстояниях от Солнца, мы вправе ожидать (если справедлива исходная по­сылка), что чем ближе планета к Солнцу, тем в большей степени она должна быть обогащена металлами с низкими потенциалами ионизации, тогда как с удалением от Солнца, наоборот, должна возрастать доля трудноионизируемых элементов. Правомерность этого предположения можно проверить, используя данные по ме­теоритам.

Несмотря на большую сложность проблемы метеоритов (вернее комплекса проблем), несомненно, что эти тела в какой-то мере несут информацию¹¹ о составе планетарного вещества¹², форми­ровавшегося на орбите между Марсом и Юпитером в так назы­ваемом «поясе астероидов», который удален от Солнца примерно втрое дальше Земли.

** Минералогические и петрографические особенности метеоритов, свидетель­ствуют о том, что образование этих тел происходило при достаточно высоких температурах и давлениях, т. е. в условиях, возможных лишь в недрах достз-точио крупного материнского тела, которое впоследствии по каким-то (весьма^| загадочным) причинам распалось.

Сравнение составов метеоритов и Земли подтверждает наше предположение (табл. 8; рис. 28). Становится понятным, почему в метеоритах (по земным меркам) много золота, платиноидов, ртути (у них высокие потенциалы ионизации) и мало урана, ка­лия, цезия Я рубидия (потенциалы ионизации низкие). Некоторые элементы резко выпадают из общей закономерности, возможные причины этого ниже будут обсуждаться.

* В процентах. .

Примечании. 1. Состав метсорнтоп принят средним из обыкновенных и угли-тых хондритов, кларкн обыкновенных хондрнгоо — но Л. П. Виноградову, концентрации [S углистых хондритах — по Б. Мейсону (ctlandbook...». 1971), кларкн ультрабазнгоп и ба-ральтов (в ннролиге) — но к. Турекьяну и К. Веясполю («Краткий...». 197"). коицотрацни гг.врияня и осмия — устное сообщение о. Юшко-Захаровой. Жирные цифры означают ноные ^Данные «(НаппЬоок. . .», 1973). Например, концентрации висмута, рспня, теллура и селена fee пнролпте по сравнению с прежними значениями увеличены на порядок. ,

2. Существует некоторая неопределенность и оценке содержания мышьяка в метеори­тах. Ранними исследованиями Г. Брауна (Мнякн. IDiM) в тронлнге н никелистом, железе ВОбнаружек мышьяк и количестве* сотен граммон на тонну (при таких концентрациях су-ЬЩестоенкая ошибка мало вероятна). Следовательно, только за счет сульфидной и мсгалли-l-ческой фаз в каменных метеоритах должно быть не менее 10 г/т мышьяка, а за счет од-►Ной сульфидной фазы — не менее 5 г/т. МЫ принимаем содержание равным 7 г/т. В более Б^Оздннх сводках со ссылкой на Г. Брауна" прниодягся концентрации мышьяка порядка 5* г/т, вероятно, они относятся к чистой силикатной фазе. '•

Формирование Луны и Земли происходило на одном расстоя­нии от Солнца, и согласно нашей концепции сравнение их соста­вов не должно выявлять следов магнитной сепарации. Действи­тельно, концентрации элементов на Луне во многом идентичны их кларкам в земном пиролите (табл. 9; рис. 29).

- Проведенное сравнение составов метеориты — Земля и Луна —. Земля с позиций планетохпмии подтверждает нашу исходную по-

*• I . - /. <г 7 / s иГ~ п 12 п

Поьенциаля ионизауции

Рис. 28. Зависимость состава метеоритов от потенциалов ионизации элементов. Концентрации элементов в метеоритах нормированы по их содержаниям в зем­ном пиролите. Исходные данные приведены в табл*. 7

сылку об определяющем влиянии на составы планет магнитной сепарации ионизированных частиц в протопланетное время. Из этого вытекает возможность прогнозирования относительной рас­пространенности элементов. Так, наша концепция позволяет ут­верждать, что концентрации урана и цезия из всех внутренних планет выше на Меркурии (ближайшем к Солнцу), тогда как Марс должен быть обогащен ртутью, платиноидами. и золотом. Однако более важной нам представляется возможность оценки исходной доли кислорода в составах планет (хотя бы даже в' ка­тегориях больше— меньше относительно Земли).

Исходная доля кислорода, по всей вероятности, во многом обусловливает характер развития планет, так как она.определяет наличие и мощность силикатно-окисной оболочки, которая выпол­няет роль термоизоляции. Таким образом, исходная доля кислоро­да определяет термический режим планет.

Учитывал сравнительно высокий потенциал ионизации кисло, рода, следует, полагать постепенное уменьшение его доли в со. ставах планет с приближением к Солнцу и увеличение с удал и. нием от него. Следовательно, на Меркурии' (в связи с самой низ­кой исходной долей кислорода) снликатно-окисная оболочка можц? быть редуцирована настолько, что не в состоянии обеспечить тер. моизоляцшо недр планеты. Естественно, что темпы развития та. кого тела должны быть резко замедлены и в нем может длитсль. ное время сохраняться гидридное ядро. Это еще одно возможное объяснение аномально высокой плотности Меркурия (см. рад. дел VIII), вытекающее из планетохимических аспектов нашей кои. цепции.

Обратимся к планетам, более-удаленным от Солнца, чем Зед-. ля'. Если по мере удаления от Солнца в исходных составах пла­нет должна возрастать доля кислорода, то следует ожидать боль­шей доли силикатко-окисиой оболочки в общем объеме Марса по. сравнению с Землей. Но еще большей эта доля должна была быть в материнском теле астероидов; возможно, объем силикатного ма­териала был даже преобладающим в этом теле (в пользу данного предположения свидетельствует высокая степень обогащения ме­теоритов трудноионизируемыми элементами, например углеродом; см. рис. 23).

Следовательно, каменные метеориты с достаточной полнотой характеризуют состав материнского тела в целом- (преимущест­венно кремний-кислородного), а также в достаточно полной мере дают представление о среднем составе планетарного вещества, формировавшегося в поясе астероидов. Из этого вытекает воз­можность оценки средних содержаний элементов на Земле, исхо­дя "из их концентраций в метеоритах. Но сначала следует обсудить причины выпадения некоторых элементов из общей совокупности точек, ограниченной на графике (рис. 28) прямыми линиями.

Есть основания считать, что положение основной совокупно­сти точек фиксирует закономерное различие исходных (изначаль­ных) составов планет ,(в связи с магнитной сепарацией протове­шества), тогда как отклонения от этой закономерности обусловле­ны последующим перераспределением элементов уже в процессе развития планет. Резкое падение величины отношения кларков (метеориты : ииролит) может быть обусловлено либо накоплением элемента в пиролите (относительно Земли в целом), либо разубо-живанием его концентрации в метеоритах (по сравнению со сред­ним в материнском теле). С геохимической точки зрения представ­ляется абсурдным предположение, что в земном пиролите (три части ультрабазитов-т-одна часть базальтов) содержания ниобия, тантала, тория, церия, фосфора и галогенов на 1,5—2 порядка вы­ше по сравнению со средним составом Земли. Следовательно, мь' вынуждены допустить, что выпадение данных элементов на гра­фике из общей совокупности точек обусловлено разубоживанпсМ их концентраций в метеоритах и что, по всей вероятности, это про^-

ошло в материнском теле. Но какой процесс мог вызвать это почему среди метеоритов отсутствуют образцы, несущие резко вышснныс концентрации данных элементов? Ниобий, церий, торий, тантал и фосфор (галогены пока нсклю-im)—набор элементов, весьма специфичный и характерный ежде всего для карбонатитов, являющихся достаточно экзотнче-имн образованиями на Земле. Однако в метеоритах углерода держится, в 100 раз больше, чем на Земле, и можно прелполо-ить, что развитие материнского тела сопровождалось интенсив-IM карбонатообразованнем, в процессе которого происходила стракция этих элементов из тела .планеты. И если данные обра-вания при распаде планеты избежали дезинтеграции, то их рагменты не могли достигнуть поверхности Земли из-за споеоб-стп карбонатов к растрескиванию при-нагревапнп, что обуслоз-шает быструю абляцию тела при вхождении его в атмосферу, акопец, если все же карбонатное тело достигает поверхности млн, то такой метеорит вряд ли будет найден из-за отсутствия нвычных диагностических признаков и быстрого выветривания земных условиях. Можно допустить, что галогены тоже претерпели перераспре-ленис в материнском теле и содержащие их дйфференцнаты по мическим и физическим свойствам также не способны гсрокик-ть сквозь атмосферу Земли. О правомерности данной версии, -видимому, могут свидетельствовать явления типа ярких болн-в, которые (согласно данным болидного патруля), как правило, сопровождаются падением метеоритов. Среди тел, вызывающих г явления, отмечаются «пришельцы» из пояса астероидов. На-Льная их масса должна измеряться тоннами, и они проникают В сравнительно небольших высот, что сопровождается евстовымп-Взвуковыми эффектами (т. е., уже затормозившись, они продол-Кают гореть п взрываться).

I Обсудив причины выпадения элементов на' графике из общей нзвокупностн точек (см. рис. 28), мы получаем некоторое право Витать, что среднее содержание тория в планетарном веществе В зоны астероидов при мерно на 1,5 Порядка выше его конисн-Ьацпй в метеоритах (дошедших до лабораторий). Эту оценку мы Валучасм, поместив торий согласно его потенциалу ионизации в Вевую часть основной совокупности точек, положение которой, Ерк было принято выше, отражает различие исходных (т. е. сред-Вх) составов материнского тела метеоритов и Земли. ■ Однако, если положение основной совокупности отражает за­кономерное различие в исходных составах и если метеориты с до-Ваточной полнотой характеризуют одно из сравниваемых тел, то Вы вынуждены принять пиролитовыс концентрации характерными юя Земли в целом, т. с. близкими к средним содержаниям эле­ментов на нашей планете. Следовательно, концентрации радиоак­тивных элементов .(урана, калия, тория) в пиролите также отра­жают их распространенность в теле планеты. Но при таких кон­центрацнях долгожнвущнх изотопов генерация тепла в недрах Земли будет более чем на порядок превышать полный геотерми­ческий поток, наблюдаемый на ее поверхности. В этом нет проти­воречия, так как Земля по нашей модели должна испытывать значительное расширение, что представляет собой весьма энерго­емкий процесс.

Расчеты показывают, что генерация тепла в недрах Земли при нашей оценке содержаний радиоактивных элементов может до­стигать 1,6—2,4 -10²⁹ эрг/год¹³, что в 16—24 раза превышает сум­марный геотермический поток. Если это тепло расходовалось к основном на расширение планеты, то размеры зон расширения за мезо-кайнозон могли достигнуть ширины срединноокеаническнх хребтов.

Итак, выявленные планетохнмнческие закономерности и осно­ванная на них оценка среднего содержания радиоактивных элемен­тов на Земле требуют принятия версии о существенном расшире­нии планеты, так как тело с постоянным объемом непременно должно было бы находиться в полностью расплавленном состо­янии при таких масштабах генерации радиогенного тепла. Однако для всего объема океанообразования за мезо-кайнозойскос время (если связывать это явление с расширением планеты) требуется гораздо более мощный источник энергии, чем радиогенное тепло даже при нашей оценке содержания радиоактивных элементов. Какой же дополнительный источник энергии может предложить гипотеза изначально гидридной Земли?

Для решения этого вопроса (вернее, для определения пути его решения) следует обратиться к начальному моменту формирова­ния Земли. Предполагается, что слипание и уплотнение тела пла­неты происходило достаточно быстро. Можно предположить, что при быстром увеличении массы планеты ее недра с некоторой глу­бины не успевали обмениваться теплом с окружающим простран­ством и, таким образом, процесс уплотнения планеты (по мере роста ее массы и соответственно давлений) можно считать адиаба­тическим.

III. 2. 3) не сопровождался перераспределением радиоактивных элрментов. т° их средние концентрации на планете будут примерно на 1/3 выше, чем в сил"' катно-окисной оболочке, где они разубожеиы за счет разбавления кислородом С учетом этого генерация радиогенного тепла в Земле может достигать 2,4-10⁵⁵ эрг/год.

Адиабатическое уплотнение системы, идущее со значительным уменьшением объема, сопровождается резким увеличением темпе­ратуры. Например, при трехкратном уменьшении объема Земли ¹⁴

[олжна выделиться энергия порядка 10³⁸—10³⁹ эрг, которой впол­не достаточно для расплавления всей планеты. Чтобы избежать гого явно нежелательного результата, мы вынуждены предполо­жить некий энергоемкий процесс, развивавшийся на фоне уплот­нения земных недр. Этим процессом (в свете гипотезы изначально |1дридной Земли) могут быть реакции образования гидридов, что згласуется с общими положениями, так как на повышение темпе-зтуры химические системы отвечают реакциями, идущими с по-ющением тепла. Таким образом, гравитацион­на энергия, реализующаяся при сатин, могла «конссрвировать-1» в теле планеты, расходуясь реакции образования гидрм-JB, которые при дальнейшем ззрастании давления станови­сь устойчивыми (см. раздел ИЛ). Впоследствии по мере ра-•югенного разогрева планеты эта ^ергия выделяется при разложе-ш гидридов и является основной Щжущей силой расширения гмли. Иными словами, радио-рпое тепло играло роль «спу-)вого механизма» для гораздо

iee мощного источника энергии¹⁵ — экзотермических реакций зложения гидридов. Однако этот процесс не может быть «взры-эпасиым», так как он идет на фоне расширения Земли. Теперь рассмотрим, каким (согласно нашей модели) представ­ится распределение температур в теле планеты. Оно опрсде-чется: а) энергоемким процессом разуплотнения вещества на гра-рце ядра и мантии, поглощающим большую долю тепла, гснери-гмого в недрах Земли; б) резким увеличением теплопроводно-в металлической мантии по сравнению с ее снликатно-окисной эолочкой (теплопроводность интерметаллических соединений на э—2 порядка выше, чем у силикатов). При этих условиях прин-*пиальный характер распределения температур в недрах Земли называется резко отличным (рис. 30) от схем, принятых в насто-iee время.

По-видимому, с уменьшением температуры в. мантии хорошо взывается монотонное возрастание с глубиной ее жесткости, эторая определяется достаточно точно по отношению скоростейпродольных и поперечных волн (Гутенберг, 1963). Характер ра_с. пределения температур, вытекающий из нашей модели, определяет причину появления астеносферы внутри силикатно-окисной оболоч. кн. По всей вероятности, ее образование обусловлено сближением-в слое В мантии температурной кривой с областью плавления по' род (рис. 31).

Следует отметить, что при нашей оценке средних содержат.,, калия, урана и тория в теле планеты образование континентадь.

ной коры могло быть обусловлю, но дифференциацией, не выхо­дившей за пределы силикатно. окисной оболочки. Это согласу­ется с предложенной схемой рас­пределения температур, которая показывает, что " поверхностный тепловой поток генерируется ?, верхней части планеты — до глу­бины 250—300 км (см. рис. 31).'

Принципиальная правомер­ность наших выводов относитель­но масштабов генерации радио­генного тепла- и особенностей термического режима Земли мо­жет быть проверена на Луне, ко­торая должна иметь равные зем­ным концентрации радиоактнн-ных элементов (эти тела формировались на одном расстоянии от Солнца). Однако на Луне уже давно закончилась активная стадия развития, связанная с дегазацией водорода, и, следовательно, на со­временном (пассивном) этапе все ее радиогенное тепло расходуется на подогрев планеты. Полагая, что на Луне установилось равно­весие между генерацией тепла в недрах и его излучением в про странство, легко рассчитать средний тепловой поток на поверхно­сти, который (при нашей оценке радиоактивных элементов) дол­жен быть не менее 3-Ю^-6 кал/см²с. Первые замеры теплового, потока Луны («Аполло-15» и «Аполло-17» показали значительно более низкие значения (порядка 0,7—0,9-Ю^-0 кал/см²-с)¹⁶, но это может означать, что тепловой ноток там резко дифференцирован и наряду с областями пониженных значений должны быть зоны.

арактернзующисся аномально высокой теплопотерей. Дифферен­циация теплового потока может быть связана с вариациями мош-IOCTH теплоизолирующей силикатно-окисной оболочки или с ее ■арушеннн.мн при ударах крупных метеоритов.

Наконец, отмстим, что масштабы генерации радиогенного тсп-а, принятые нами для Земли и Луны, в пассивной стадии их раз-ития должны вызвать значительный разогрев недр, который мо-•ет сопровождаться переплавленпем обширных объемов планеты, . е. в пассивной стадии может наблюдаться своеобразная мзгма-пческая деятельность. Своеобразие определяется практически олным отсутствием летучих, которые (как выясняется) играют сшающую роль в дифференциации магматических расплавов, лсдовательно, магматическая деятельность этой стадии будет со-ровождаться гомогенизацией переплавляемых объемов, т. с бу-ст деструктивной в петрологическом отпошенни. При значитель-ых масштабах перенлавлення силикатно-окисной оболочки будет ннчтожаться и внешний структурно-тектонический рисунок пла­сты, созданный на активном этапе ее развития. Таким образом, се, что было создано (руды, породы, структуры, зоны и т. п.), тем может уйти в переплавку. Мы предлагаем назвать этот про-есс «энтропийным»* магматизмом. Естественно, что им будут "0-жены прежде всего мелкие планеты, которые быстро заканчи-ют активную стадию развития, когда еще сравнительно высока нерацня радиогенного тепла. В разделе VIII было показано, что образование светлых «кон-иентальных» областей Луны и кольцевых «морей» — маскоиов ша концепция связывает с активной стадией' развития. Возмож-, что Океан Бурь и некоторые другие темные области,, не сопро-ждаемыс масконами, возникли в результате энтропийного маг-тизма. Если мы правы, то в этих областях возможно выявление иболес молодых на Луне магматических образований, которые дут отличаться слабой степенью днфференцированности (истро-мической, геохимической) и не должны нести следов стабильной таточной намагниченности (на пассивном этапе развития пла-ы магнитное поле отсутствует).

Не исключено, что энтропийная активность на Луне продол-стся и в настоящее время, о чем может свидетельствовать сла-я сейсмичность ее недр. Однако этот процесс обусловлен состо-ием силикатно-окисной оболочки. Если же она в значительной ре нарушена и не обеспечивает должной термоизоляции плане-, то масштабы переплавлення, по всей вероятности, будут весьма уцированы.

Марс находится значительно ближе к Земле, чем к поясу асте-«дов. Поэтому концентрации радиоактивных элементов в нем

• В этом названии нам хотелось отразить резкое возрастание энтропии пяя-ы (как термодинамической системы) при се разогреве о пассивную стадию внтня.

должны быть ближе к земным, чем к метеоритным. Следователь-но, на современном пассивном этапе развития он может испыты­вать энтропийный магматизм. Марс достаточно крупная планета и, кроме того, имеет большую долю силикатно-окисной оболочки (по сравнению с Землей и Луной). Весьма интересно, какие формы при этом примет энтропийная активность планеты, и не относятся ли к одной из них недавно обнаруженные на Марсе гигантские вулканические постройки центрального типа, ширина которых в основании достигает многих сотен километров, а высота—десят­ков километров. Такие сооружения могут возникнуть лишь при весьма малой эксплозивное™, т. е. при отсутствии летучих в маг­ме, что характерно для пассивного этапа развития планеты.