книги из ГПНТБ / Войткевич, Г. В. Происхождение и химическая эволюция Земли

то более тяжелые расплавленные массы жидкого железа могли стечь в центральные области, создав ядро, а сили­ катные массы всплыли вверх, образовав мощную рас­ плавленную силикатную мантию, которая впоследствии остыла, сформировав твердую оболочку. Однако такое представление о планетарной дифференциации материала Земли с образованием центрального ядра и силикатных оболочек, с распределением элементов согласно их гео­ химическим свойствам, наиболее полно развитое В . Гольдшмидтом (см. рис. 4), столкнулось с большой трудностью. Она состояла в том, что вязкость силикатов при высоких давлениях в недрах Земли устраняла возможность хими­ ческого расслоения с перемещением вещества в обще­ планетарных масштабах даже в условиях высоких тем­ ператур, превосходящих точку плавления любого из ­ вестного силикатного материала. В связи с этим интерес

модель жидкого ядра Земли, сложенного железом с при­ месью серы и никеля, представляется наиболее вероятной.

Д л я преодоления трудностей общепланетарной хими­ ческой дифференциации Земли, связанных с высокой вязкостью силикатного материала, можно высказать два предположения.

1. Либо Земля в результате радиогенного нагрева прошла стадию химической дифференциации с выделе­ нием масс жидкого железа в верхних горизонтах, и оно вследствие своей тяжести прорвало в одном каком-то месте вязкие силикатные массы, опустившись к центру

сгущения высокотемпературной фракции конденсатов сол­

изошло за счет силикатных частиц (соединений), создав­ ших первичную мантию.

100

Следует отметить, что сейчас мы находимся на таком уровне знаний, что оба предположения относительно формирования внутреннего состава Земли являются более или менее вероятными.

шар . Она представляла собой сравнительно, однородную

манности в силу собственного притяжения, когда она приобрела достаточно крупную массу. Согласно мнению ряда исследователей, З е м л я как первичная планета обра­ зовалась при температурах ниже точки плавления ее

(металлической, силикатной), т. е. ниже 800° К . С другой стороны, нижний температурный предел допускал нали ­

гли поднять температуру рождающейся Земли, но коли­ чественная оценка энергии этого процесса не может быть

радиоактивный нагрев, вызванный распадом быстро вы­ мирающих радиоактивных ядер, включая некоторое коли­ чество трансурановых, сохранившихся от эпохи ядерного

достаточно д л я того, чтобы ее материал местами стал плавиться с последующей дегазацией и подъемом легких

101

рост температур происходил в ее цеитре с последующим выравниванием по периферии. Однако в центральных областях Земли давление было слишком высоким для плавления . Плавление в результате радиоактивного на­ грева началось на некоторых критических глубинах (рис. 21), где температура превысила точку плавления какой-то части первичного материала Земли. Пр и этом железный материал с примесью серы начал плавиться скорее, чем чисто железный или силикатный.

тенденция

распределения

температур

О500 1000 15002000 2500

Глубина, км

Р п с. 21. Схема плавления материала в Земле, состоящей из однородной смеси силикатного и металлического вещества

Согласно расчетам американского геофизика Ф. Берча, д л я хондритовой модели Земли, плавление могло проис­ ходить в интервале глубин 100—600 км. Здесь стал формироваться и расплавленный слой, мощность кото­ рого непрерывно увеличивалась как за счет роста в глу­ бину, так и к поверхности. Ввиду того что железо — наиболее распространенный металл, в возникшем рас­ плавленном слое нашей планеты начался процесс хими­ ческого расслоения — дифференциации в жидком состоя­ нии. Он привел к разделению слоя по крайней мере на две части: верхнюю силикатную и нижнюю металлическую (железную, железистосернистую). Напомним, что удель­ ный вес жидкого железа более чем в два раза превосхо­ дит удельный вес силикатов. Дальнейшее развитие про­ цесса плавления привело к тому, что слой расплавлец-

102

ного железа непрерывно увеличивал свою мощность,

эффект был очень велик, поэтому одно из поднятий при­ ливной волны оказало высокое давление на подстилаю-

Р и с. 22. Схема формирования ядра Земли (по В. Эльзасоеру)

щий материал и в конце концов продавило его по

риал со значительным содержанием силикатов. Этот мате­ риал, хотя и не находился в жидком расплавленном состоянии, но при высоких температурах приобретал повышенную пластичность и текучесть. С дальнейшим ростом гигантская ж е л е з н а я к а п л я опустилась к центру Земли (см. рис. 22, б). Она выдавила пластичные сили­ катные массы, которые, перемещаясь в верхние гори­ зонты через зону плавления, испытали последующую дифференциацию. Вместе с железом в его расплаве кон­ центрировались геохимически близкие ему сидерофильные элементы, а также, вероятно, сера и ее химические

103

силикатно-металлической смеси в современное состояние

сметаллическим железным ядром должна выделиться

зом, процесс дифференциации вещества Земли в плане­ тарном масштабе привел к сильному нагреву тела пла­ неты. Все это произошло геологически довольно быстро, поскольку огромные массы расплавленного железа не могли находиться долго в неустойчивом состоянии в верх­ них частях Земли. В конце концов все жидкое железо стекло в центральные области Земли, образовав метал­ лическое ядро, Внутренняя часть его перешла в твердую плотную фазу под влиянием высокого давления, сфор­ мировав маленькое ядро глубже 5000 км.

П р и таком способе возникновения ядра Земли, за­ вершившемся в основном 4,5 млрд. лет тому назад, неиз­ бежно начался асимметричный процесс дифференциации материала планеты, приведший к появлению континен­ тального и океанического полушарий (сегментов). Ве­

поднятие силикатного материала с последующим выпла­ влением более легких алюмосиликатных масс и летучих компонентов. Поскольку силикатные массы могли пла­ виться не по всему объему Земли, а только в ее верхних

материал при поднятии подвергался зонной плавке . (Механизм зонной плавки на материале хондритовых метеоритов хорошо изучен А. П. Виноградовым и его сотрудниками.) В легкоплавких фракциях материала мантии сосредоточились наиболее типичные литофильные

катов при завершении планетарной дифференциации об­ разовала мощную мантию планеты, а продукты ее вы­ плавления дали начало развитию алюмосиликатной коры, первичного океана и первичной атмосферы, насыщен­

ной С 0 2 , Другой путь формирования зонарного строения и со­

става Земли, как уж е отмечалось, мог быть связан с самим с п о с о б о м а к к у м у л я ц и и нащей планеты, в ходе которой

104

и з м е н я л ся состав главных компонентов, строящих ос­ новную массу земного шара . Так , в процессе охлаждения и конденсации первичной газовой туманности солнечного состава наиболее важные компоненты внутренних планет

Таким образом, в интервале температур 1790—1420° К

ция Земли началась в тот период, когда в остывающей газовой туманности завершилось формирование железо - никелевых капель, а конденсация силикатных только начиналась. К а п л и металлов, соприкасаясь друг с другом,

одновременно с конденсацией силикатов из протопланет-

железоникелевый сплав возник независимо и непосредст­ венно из паровой фазы протопланетного облака и кон­ денсировался при 1500° С. Железоникелевый сплав метео­

скую фазу земных планет. Железоникелевые сплавы до­

105

непрерывно конденсационный рост. Только масса железоникелевого сплава, независимо конденсировавшаяся из протопланетного облака, могла образовать ядра планет земного типа.

планет. Если сгущение происходило при температурах ниже 1000° К , то условия роста первичных планет были существенно иными. При а к к у м у л я ц и и первичных планет из твердых частиц действовали еще некоторые дополни­ тельные факторы, способствующие избирательному на­ коплению вещества разного свойства и разного состава. К таким факторам можно отнести магнитные силы. Вы­ сокая активность первичного Солнца создавала в окру­ жающем пространстве магнитное поле, способствовавшее намагничиванию ферромагнитных веществ. К числу их

магнитные силы д л я мелких частиц на много порядков

щейся солнечной туманности могла начаться при темпе­

ниже 580° К т а к ж е могло аккумулироваться под влия ­ нием магнитных сил вслед за железом, кобальтом и ни­ келем. Поэтому можно выдвинуть гипотезу: основной мотив зонарного строения нашей планеты был связан

силикатных и других частиц, накопление которых дикто­ валось у ж е преимущественно силами гравитации вырос­

106

В О З Н И К Н О В Е Н И Е И Э В О Л Ю Ц И Я М И Р О В О Г О О К Е А Н А И АТМОСФЕРЫ

Все главные составные части атмосферы Земли и Миро­ вого океана относятся к летучим веществам. Они посту­ пили на поверхность Земли в результате ее химической дифференциации. По всем имеющимся данным, пары воды и газы атмосферы возникли в недрах нашей планеты и поступили на ее поверхность в результате внутреннего разогрева совместно с наиболее легкоплавкими вещест­ вами мантии в процессе вулканической деятельности.

Следует отметить, что в науке долго господствовали представления о первичной расплавленной Земле и о том, что на ранних этапах ее развития она была окутана мощ­ ной атмосферой с парами воды, а при последующем ох­ лаждении произошла конденсация этих паров в жидкую воду. Выпали дожди, образовав массу воды Мирового океана, которая первоначально при таком способе обра­ зования была пресной. Соленой и минерализованной океаническая вода стала позже в результате сноса раство­ ренных веществ с поверхности суши в течение длитель­ ного геологического времени. Однако подобные пред­ ставления, получившие в свое время большую популяр ­ ность, противоречат современным данным.

В случае если бы вся масса воды современного океана была бы в свое время в атмосфере, то она создала бы вы­ сокое парциальное давление, вызвавшее химические реак­ ции воды с силикатными минералами верхних частей Земли. В результате возникла бы огромная масса гидратированных силикатов, аналогичных тем, которые встре­

ральных ассоциаций мы не находим в доступных древ­ нейших участках земной коры как в пределах конти­ нентальной, так и океанической ее частей. Наиболее убедительные доводы против наличия в прошлом тяже -

108

лой атмосферы были приведены А. П. Виноградовым (1959): «Дымы, подобные HCl, H F и особенно С 0 2 , соз­ дали бы парциальное давление в десятки атмосфер. . .

Породы Земли, находящиеся в равновесии с этими коли ­

Различные минералы горных пород должны были бы

дочных пород всех геологических периодов, вместе взя ­ тых. В частности, среди осадочных пород этого началь ­ ного периода жизни Земли должны были бы отложиться в огромном количестве карбонаты и т. д. Наконец, в со­ ставе современной атмосферы должны были сохраниться

поступавшие в современную атмосферу, в большинстве случаев подвергаются резкому изменению и переходят в другие химические соединения. Основной вулканиче ­ ский газ Н 2 0 конденсируется в виде жидкой воды, по­ п о л н я я гидросферу. Следующий по распространению

бинные летучие вещества Земли, поступая на ее поверх­ ность, подвергаются существенной переработке и остаются не только в атмосфере и гидросфере, но в значительной степени и в осадочных породах.

В современную эпоху все воды на Земле образуют единое целое и создают водную оболочку — гидросферу. Значение воды к а к мощного фактора, веками преобразую­ щего лик планеты и совершающего огромную химиче-

109