книги из ГПНТБ / Кесарев, В. В. Эволюция вещества Вселенной

нять изменениями газов в коре. Если глубинные газы проявили достаточную химическую стойкость в волноводе, то тем более это свойство они сохра­ нят в более мягких условиях коры.

Энергия глубинных химических реакций

Распределение температур в Земле зависит в значительной степени от интенсивности источников энергии и их распределения по всей планете. В на­ стоящее время все авторы, касающиеся этой проб­ лемы, оценивают энергию радиоактивного распада как главный источник тепла на Земле, хотя мы до сих пор не имеем сведений о распределении радио­ активных веществ на разных глубинах Земли.

Из радиохимических анализов различных по­ род, а также из анализов метеоритов вытекает, что наибольшая концентрация радиоактивных веществ достигается в гранитном слое земной коры. Это яв­ ление легко понять в свете высокой миграции к по­ верхности Земли легкоплавких соединений. Имен­ но, к ним относятся многие соединения урана. С учетом того положения, что повышенная кон­ центрация радиоактивных веществ приходится на кору, следовало бы ожидать проявления внутрен­ ней активности Земли не в мантии, а в коре.

Далее, если предположить, что поток тепла че­ рез континентальную кору определяется наличием в коре повышенных концентраций радиоактивных веществ, то поток тепла через океаническую кору должен быть слабее, поскольку в океанической ко­ ре нет гранитного слоя. Однако опытные наблю­ дения не подтверждают этого положения. По дан­ ным определения тепловых потоков в пяти пунктах Северной Атлантики и шести пунктах на севере Тихого океана, среднее значение теплового потока

30

очень близко к континентальному (И. Верхуген, 1958) *.

Известно, что глубинные процессы имеют оча­ говый характер. Если такой характер процессов на глубине определяется повышенной концентрацией радиоактивных веществ, то при вулканических из­ вержениях наблюдался бы повышенный радио­ активный фон с повышенной концентрацией радиоактивных веществ в изверженных породах. В действительности подобные явления не отмеча­ ются. Продукты вулканических извержений не не­ сут на себе сколько-нибудь заметных следов ра­ диоактивного влияния. С радиоактивностью не вяжутся географическое расположение очагов ак­ тивности, периодические повторяемости их повы­ шенной активности.

Расчеты энергий глубинных химических реакций показывают следующее. При образовании 31,5% металлического железа освободилось энергии 3,78-ІО30 кал, при образовании 0,8% воды — 0,17Х ХІО30 кал, при образовании 5,6% алюмосиликатов калия (КгО-А120з ■ 6SiO2, £=131,2 ккал/мол)—

0,31-ІО30 кал. Этот перечень далеко не полный. Общий выход энергии глубинных химических про­ цессов, вероятно, будет порядка 4,5-ІО30 кал. По Е. Н. Люстиху, потери тепла Землей путем тепло­ проводности составляют примерно 4■ ІО20 кал!год. Если считать это число, характерное лишь для со­ временной Земли, средним значением, то за 5 млрд, лет внутренней активности потери тепла Землей составят 2- ІО30 кал. Если принять во внима­ ние условное значение среднего показателя, то расход энергии в общем согласуется с ее приходом.

* Следовательно, тепловые потоки как в континенталь­ ной, так и в океанической коре определяются не радиогенной энергией.

31

«Приход» в Земле энергии глубинных химиче­ ских реакций велик, и, возможно, этой энергией определяются тепловой режим Земли и дифферен­ циация ее вещества. Основные источники тепла в Земле расположены в первой и второй реакци­ онных зонах. Вещество Земли (60,3%) прошло че­ рез реакционные зоны, в которых оно доходило до пластического состояния с последующей кристал­ лизацией. Такой механизм прохождения вещества в недрах Земли порождал впечатление, что сама Земля была когда-то в расплавленном состоянии и затем постепенно при остывании кристаллизова­ лась. Такой именно точки зрения придерживались Б. Гутенберг (1949), а затем Г. Джеффрис (1960): «С моей точки зрения, решающим доводом в поль­ зу некогда жидкой Земли является наличие гра­ нитного слоя и сосредоточение радиоактивных ве­ ществ в сравнительно тонком слое близ поверхно­ сти».

Нам представляется, что Земля никогда не бы­ ла в жидком состоянии, тем не менее ее вещество в значительной степени прошло через «горнило» реакционных зон Земли.

Нам также представляется, что автор извест­ ной космогонической концепции В. А. Крат (1961) прав, когда говорит: «Земля никогда не была в расплавленном состоянии, но практически каждая ее часть в различные эпохи подвергалась расплав­ лению».

Дифференциация глубинного вещества

Существование в теле Земли реакционных зон, выделяющих энергию химических реакций, поро­ ждает перепад температур. Это приводит в движе­ ние мощнейший механизм дифференциации веще-

32

ства в планете. Летучие и легкоплавкие продукты, покидая реакционные зоны, стремятся проникнуть вверх, перенося с собой тепло реакций. При отдаче тепла и охлаждении легкоплавкие магмы кристал­ лизуются и формируют все новые и новые слои. В начальных стадиях остывания расплава веще­ ство перераспределяется на фракции с температу­ рами плавления в широком диапазоне. Примером могут служить составы железо-каменных метеори­ тов, в которых сочетаются металлы с окислами ме­ таллов. В последующих стадиях остывания сплава возникают фракции с температурами плавления в более узких пределах. Путем моделирования мож­ но представить, как из 2,11 мае. ч. материнского состава — палласита — с содержанием железа 55,3% образуются 1 мае. ч. вещества состава же­ лезного метеорита с содержанием железа 90,67%, и 1,11 мае. ч. вещества состава каменного метео­ рита с содержанием железа 22,94%. Подобные рас­ слоения материнских веществ на составные были экспериментально подтверждены зонной плавкой (В. А. Магницкий, 1964).

Слоистое строение Земли наталкивает на мысль построения моделей Земли на основе соответствую­ щего чередования вдоль радиуса составов, отве­ чающих составам определенных классов метеори­ тов. Длительная история этого вопроса характе­ ризуется большим числом попыток построения моделей Земли. В свете концепции автора откры­ ваются некоторые новые возможности построения химической модели Земли.

В модели Земли, предложенной автором (см. приложение 1), слои и подслои земных оболочек, исключая кору, названы классами и пруппами ме­ теоритов, а слой нижней мантии — кометным, по­ скольку, по мнению автора, кометы, возможно, име-

ют состав первичного планетного вещества. Метео­ ритный состав дан по литературным источникам (Е. Л. Кринов, 1955; Мэйсон, 1965). Показатели скоростей сейсмических волн в основном приняты по А. А. Люкку и И. Л. Нерсесову (В. А. Магниц­ кий, 1965).

Ниже изложены общие соображения о распре­ делении вещества Земли по глубине и каждому слою приписан состав, аналогичный составу той или иной разновидности метеоритов. Отнесение тектитов к метеоритам весьма условно, но, следуя логике предлагаемой химической модели Земли, можно считать, что на границе волновода с манти­ ей должно быть вещество тектитного состава.

Различные по составу вещества, расположенные на разных глубинах, одновременно находятся и в резко различных условиях по температуре, давле­ нию и содержанию воды. Предположим, что струк­ тура и состав каменных и железных метеоритов в определенной степени отражают различия в кри­ сталлической структуре веществ планеты. Структу­ ра вещества железных метеоритов, по мнению не­ которых авторов, в отличие от каменных, характе­ ризуется медленной кристаллизацией. Более тонкое различие в структуре вещества проявляется в ка­ менных метеоритах. Хондриты отличаются от ахон­ дритов наличием в их структуре хондр. Кристалли­ ческая структура углистых метеоритов имеет переходный характер. Они характеризуются сосу­ ществованием двух минеральных ассоциаций: низ­ ко- и высокотемпературной. Среди материалов, от­ несенных к классу хондритов, встречаются и метео­ риты, не имеющие хондр. Это явление объяснимо, если предположить, что в родительском теле ме­ теоритов (и, возможно, в Земле) углистый подслой был расположен на границе с ахондритовым слоем.

34

Верхняя граница расположения никелистого же­ леза в Земле начинается на глубине 200 км — с оли- вин-пижонитового подслоя хондритового слоя. В физико-химической модели Земли (ем. приложе­ ние 1) для оліивин-пижонитового подслоя приведе­ ны два столбца цифр: один для 12 известных ме­ теоритов (хондритов), другой для трех метеоритов, на наш взгляд, ошибочно отнесенных к ахондри­ там. В этих трех метеоритах содержание никели­ стого железа отвечает не ахондритам, а хондритам, отсутствие же у них хондр может быть объяснено

близостью ОЛІИВИН-ПИЖОНИТОВОГО подслоя к ахонд-

ритовому слою. Оснований для причисления трех упомянутых метеоритов к хондритам имеется не меньше тех, по которым углистые метеориты без хондр причисляются к хондритам.

С ростом глубины содержание в земном вещест­ ве никелистого железа планомерно увеличивается, достигая максимального значения в гексаэдрическом подслое железного слоя. С дальнейшим углуб­ лением в железный слой компоненты никелистого железа перераспределяются: увеличивается содер­ жание никеля за счет уменьшения железа. Со­ держание никеля в атакситах иногда достига­ ет 60%.

Содержание закиси железа в оливин-пижонито- вом подслое хондритового слоя довольно большое, а в углистом подслое содержание закиси железа имеет максимальное значение 27%. Это, вероятно, достигается перераспределением вещества в смеж­ ный тектитовый подслой. От углистого подслоя вверх и вниз понижается содержание закиси желе­ за. Резкий скачок обнаруживается на верхней гра­ нице мантии: содержание закиси железа с 17%і в мантии падает до 10% в базальтовом слое и до 5% в осадочном слое.

При высоком содержании двуокиси кремния ВО всех слоях мантии' имеется определенная тенден­ ция увеличения ее количества с уменьшением глу­ бины. В осадочіном слое коры содержание двуоки­ си кремния достигает максимального значения — 70%. В двух подслоях волновода — углистом и тек­ титовом— двуокись кремния перераспределилась. За счет снижения содержания двуокиси кремния в углистом подслое увеличивается ее содержание в тектитовом подслое.

При очень незначительном содержании окиси алюминия во многих подслоях верхней мантии ее концентрация резко увеличивается во всех слоях коры. Тектитавый слой в этом случае отличается тем, что в нем содержание окиси алюминия нахо­ дится на уровне осадочного слоя коры.

Картина распределения окиси магния во многом напоминает ту, которая наблюдалась с закисью железа. Концентрация окиси магния достигает больших значений (36%) в оливин-пижонитовом подслое, вверх и вниз от него она снижается. В ниж­ ней мантии, на границе с корой, окиси магния содер­ жится 20%, а в коре ее концентрация резко падает: в базальтовом слое до 6%, в осадочном — до 1%. Окись магния и в волноводе перераспределяется: концентрация ее увеличивается в углистом подслое за счет снижения в тектитовом подслое.

Высокое содержание окиси кальция приурочено к ахондритовому слою. От него вверх и вниз со­ держание окиси кальция снижается.

Невысокие концентрации окислов щелочных металлов по многим подслоям верхней мантии со­ четаются с довольно высоким содержанием в коре и тектитовом подслое. Обращает на себя внимание повышенное содержание этих окислов в хондритовоім слое по сравнению с ахондритовым. Тектито-

36

вый подслой обогатился щелочными металлами 3á счет обеднения ими ахондритового слоя.

Для распределения легких элементов и их со­ единений, как и для распределения щелочных ме­ таллов, характерны два оптимума — в коре и в углистом подслое. В энстатитовом подслое хондри­ тового слоя углерод, азот, фосфор, сера находятся в соединениях, сохраняя свою низкую валентность. Концентрации этих элементов в энстатитовом под­ слое очень близки (или даже совпадают) к тем, которые следуют из среднего состава верхней ман­ тии. По мере продвижения вверх концентрация легких элементов и форма их существования резко меняются. Все эти накапливающиеся изменения наиболее яркое выражение находят в углистом подслое. Здесь обнаруживается до 5% углерода

ввиде высокомолекулярных соединений — углево­ дородов и их гетеропроизводных, а также графита, алмаза, карбонатов кальция, магния, железа. Кон­ центрация азота достигает 0,29%, присутствует он

ввиде производных углеводородов и аммонийных солей. Содержание серы равно 6,6%, из них 1% свободной серы, остальное — сульфопроиэводные и сульфаты (гипс, эпсомит). Содержание фосфора составляет 0,13%, форма существования —фосфа­ ты. Содержание воды в углистых метеоритах вели­ ко. В отдельных случаях содержание воды доходит до 20%. Немалое количество воды находится в

связанном состоянии, если иметь в виду наличие в углистых хондритах гидратных форм солей: гип­ са, зпсомита, серпентина. На молекулу сульфата кальция приходится две молекулы воды, на моле­ кулу сульфата магния — семь молекул воды, на молекулу серпентина — четыре молекулы воды.

Важно отметить, что в углистом подслое впер­ вые обнаруживаются соединения элементов высшей

37

валентности — карбонаты, сульфаты, фосфаты,— которые могли в волноводе возникнуть при высо­ котемпературном гидролизе карбидов, нитридов, фосфидов и сульфидов, т. е. тогда, когда вода не гидрирует металлоиды, а окисляет их.

Из легких элементов подлинным индикатором глубины является кислород, концентрация которого постепенно возрастает, начиная от нуля на грани­ це железного слоя и достигая 49% в осадочном слое коры. Исключением является тектитовый под­ слой, содержание кислорода в котором находится на уровне осадочного слоя коры. Это не случайно, потому что вещество волновода формирует земную кору если не путем постепенной дифференциации, то путем вулканических извержений. Не случайно также составы изверженных пород и метеоритовтектитов (биллитонитов) почти совпадают; это вы­ текает из их сопоставления (табл. 4).

Таблица 4

Элементный состав изверженных пород и тектитов, мае. %

Автор полагает, что если бы представилась воз­ можность извлечь вещество волновода путем сверх­ глубокого бурения, то и в этом случае получили бы вещество того же состава, что и изверженные поро­ ды. Не обсуждая вопросов технической возможно­

38

сти выполнения этой задачи, можно усомниться в ее целесообразности в связи с неясностью поведе­ ния того выводного .канала, который получит в свое распоряжение волновод. При этом не исклю­ чено создание искусственного вулкана.

Ни один компонент вещества Земли не остает­

окислов кремния, алюминия, калия, натрия, каль­ ция. С увеличением глубины возрастает концентра­ ция железа и никеля. Окислы железа и магния до­ стигают максимальной концентрации в оливин-пи- жонитовом подслое хондритового слоя. Выше и ни­ же этого подслоя концентрация окислов железа и магния уменьшается.

Особо важно отметить, что с уменьшением глу­ бины не только увеличивается концентрация соеди­ нений легких элементов, но и меняется форма этих соединений.

Есть мнение, что метеориты —не продукты маг­ мы, а результат конденсации газовой фазы в протопланетном облаке. Автор, тем не менее, придер­ живается представлений о кристаллизации метео­ ритов из расплава, и он проявил бы крайнюю не­ последовательность, объясняя отдельные частные вопросы допущениями, не вытекающими из его основной концепции.

2. ЭВОЛЮЦИЯ ЛЕГКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Несмотря на относительно малое содержание легких элементов: водорода, углерода, азота, кис­ лорода, серы, фосфора, эти элементы и их соедине­ ния легко обнаруживаются благодаря тому, что они в виде паров, газов, жидкостей, растворов выде-

39