книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЕЕ ОБОЛОЧЕК

Земля — третья планета, считая от Солнца, представляет со­ бой по форме геоид — несколько сплюснутый со стороны полюсов шар с радиусом 6400 км\ средняя плотность ее — 5,5 г/см3.

Увеличение давления и температуры в породах по мере углуб­ ления в толщу Земли породило много гипотез о состоянии вещества на различных уровнях Земли. Так, в настоящее время принимается, что плотность Земли в ее центре достигает 11 г/см3. Однако пред­ ставления о непрерывном нарастании температуры в глубину Земли при допущении слишком больших значений, вытекающих из суще­ ствующего термического градиента для верхней части земной коры, приводят к тому, что Земля оказалась бы недостаточно устойчивой и превратилась бы в газ. Поэтому существующие теории допускают для ядра Земли температуры в 2000—4000° С.

Наиболее эффективными оказались сейсмические методы изуче­ ния глубин Земли— измерение скорости прохождения продольных

(р) и поперечных (s) сейсмических волн в Земле. На основании этих данных было установлено оболочечное строение Земли: земная кора (мощностью от 60 до 5 км), мантия (до 2900 км) и ядро радиусом 3500 км (рис. 13).

Существование у Земли мощного магнитного поля послужило основанием для предположения о металлическом составе ее ядра и соответственно о значительной удельной плотности его ве­ щества.

В. М. Гольдшмидт впервые высказал идею о составе и внутрен­ нем строении Земли. Взяв за основу металлургический процесс, он предложил считать земное ядро железо-никелевым, мантию — в виде сульфидной оболочки — аналога штейна, а земную кору ■— в виде

и коры (3 г!см3), а также о составе ядра Земли вызвала возражения (против огромного избытка серы и металлов в мантии). Ни одна интрузия основного состава, сопровождаемая сульфидной минера­ лизацией явно глубинного происхождения, не привела доказательств такого избытка серы в мантии. Более того, состав метеоритов, явившихся прообразом вещества, из которого формировалась пла­ нета, не отвечал этому специфическому составу мантии, охватывав­ шей подавляющий объем земного шара.

Тем не менее факт существования оболочек в земном шаре мог быть принят, и оставался лишь вопрос о составе и состоянии вещест­ ва в каждой из них.

Ниже рассматривается разрез Земли на основе сейсмических данных (рис. 14).

Зона А составляет земную кору (сиаль). От нижележащей ман­ тии она отделяется так называемой поверхностью Мохоровичича (или Мохо), глубже которой скорость прохождения сейсмических волн резко возрастает.

Различают земную кору континентального и океанического ти­ пов. Мощность земной коры континентального типа достигает 60 км

Рис. 13. Распределение скоростей продольных (р) и по­ перечных (s) волн сейсмического происхождения в Зем­ ле (по Б. Гутенбергу).

иувеличивается в районах крупных горных сооружений (Гималаи).

Вподобных регионах поверхность Мохо как бы опускается глубоко

вмантию. Наоборот, под океанами происходит поднятие поверхности

Мохо, так как толщина коры океанического типа не превышает 5 км, а местами, в областях рифтовых долин, она полностью исче­ зает, и мантия соприкасается с океанической водой (рис. 15).

Согласно В. В. Белоусову, в коре континентального типа выде­ ляется три слоя: верхний (осадочных пород) —3 км, затем гранитный (гранито-гнейсов) —- около 20 км и наконец базальтовый, дости­ гающий в среднем такой же мощности, разделяемый в свою очередь на гранулито-базальтовый (верхний) и гранулито-эклогитовый (ниж­ ний). Второй и третий слои (гранитный и базальтовый) разделены так называемой поверхностью Конрада.

Если в гранитах и базальтах скорость распространения сейсми­ ческих волн составляет 5—6 км/сек, то в мантии непосредствен­ но под земной корой она достигает 8,1 км/сек.

Существуют различные мнения о характере перехода вещества земной коры в мантию. Так, например, В. В. Белоусов и А. П. Ви­

ной изменения скоростей прохождения сейсмических волн и соот­ ветствующего изменения плотности пород от 0 до 400 км глубины (по В. В. Белоусову). Обращает на себя внимание явное уменьшение плотности, а также скорости прохождения волн на глубине около 200 км.

Согласно представлениям А. Е. Рингвуда, этот эффект связан с существованием так называемого волновода — слоя варьирующей мощности, простирающегося от 100 до 200 /сж под материками и от 50 до 400 км под океанами.

На этих глубинах температура достигает критических значений (около 1200° С), при которых может плавиться базальт (см. рис. 16), по мнению большинства исследователей, именно выплавление ба­ зальта из пиролита (пироксен + оливин — предполагаемый состав гипотетической породы мантии) приводит к массовому равномерно рассеянному частичному плавлению этой исходной породы, слага­ ющей зону В, вызывающему столь резкое изменение физических свойств субстрата. Предполагается, что пиролит способен генери­ ровать (выплавить) до 25% базальта, подымающегося затем в виде астенолитов кверху.

Зона С (см. рис. 14) охватывает почти 600-километровую тол­ щу Земли (до 400 до 1000 км глубины). Она носит название пере­ ходной, или слоя Голицына. На протяжении этой зоны происходит заметная перестройка состава мантии: заметно возрастает плотность пород, скорость прохождения волн увеличивается до максимальных значений. В средних частях этой зоны зарождаются глубокофокус­ ные землетрясения (700 км).

Предполагается, что в этой области происходят коренные из­ менения пород, появляются новые минералы с плотнейшей упаков­ кой. Так, например, А. Е. Рингвуд считает, что в пределах слоя Го­ лицына происходит следующее изменение состава:

2Mg SІ03 Mg2 Si04 + Si02 (стишовит), Mg2Si04 - M g 2Si04 (шпинелевидыая структура оливина),

Mg2 Si04 + Si02 -> 2Mg Si03 (ильменитовая структура пироксена).

Стишовит является сверхплотной (4,35 г!см3) разновидностью кремнезема, кристаллизующейся в структуре рутила, полученной при давлении 145 000 атм и 1400° С. Шпинелевидная структура оли­ вина и ильменитовая структура пироксена также являются инди­ каторами специфических условий кристаллизации минералов при высоких давлениях.

Зона D (см. рис. 14) является последней зоной мантии. Она про­ стирается до глубины 2900 км.

Для этой зоны характерно медленное нарастание всестороннего давления. Однако существенного изменения минерального состава в толще этой зоны, по-видимому, не происходит. Сэтим связано не­ значительное увеличение скорости прохождения волн и плотности вещества.

В зоне Е, простирающейся на глубину от 2900 до 4980 км, резко изменяется состав и состояние вещества по сравнению с зоной D. Резко сокращается скорость прохождения продольных волн, факти­ чески полностью прекращается прохождение поперечных волн.

Объяснение этому явлению может быть лишь одно: эта перифе­ рическая зона ядра Земли сложена вязким веществом.

Зона F в отличие от предыдущей характеризуется небольшим увеличением плотности вещества и скорости прохождения продоль­ ных волн. Однако максимальной величины скорость прохождения волн (как в зоне D) уже не достигает.

Существуют различные мнения о строении вещества в ядре Зем­ ли. Так, например, предполагают, что плотность и другие его свой­ ства определяются строением атомов (наличием или отсутствием сильно сжатых электронных оболочек). Существует мнение о металлизованном характере вещества в ядре Земли и т. д. Однако вероят­ нее всего предположение о железо-никелевом составе ядра Земли.

А. П. Виноградов (1972 г.) обратил внимание на постоянное присутствие в составе железных метеоритов 12 рассеянных элемен­ тов, встречавшихся повсеместно, хотя известно около 70 элемен­ тов, способных давать сплавы с железом. Расчеты А. П. Виногра­ дова показали, что те химические элементы, для которых парциаль­ ное давление кислорода в обратимом равновесии металла с его оки­ сью при температуре плавления железа (1803° К) ниже, чем в системе Fe — FeO, окисляются до окисей в этих условиях и поэтому не могут растворяться (в форме окисей) в Fe — Ni расплаве, тогда как хи­ мические элементы, которые окисляются при более высоком давле­ нии кислорода, остаются металлами и всегда присутствуют в метео­ ритном железе (Ga, Sn, Ge, Ni, Sb, Co, Cu, Pt и др.).

Поскольку предполагают, что состав железных метеоритов от­ ражает состав ядер некогда разрушившихся планет, вывод А. П. Ви­ ноградова о выплавлении ядра Земли при сравнительно ничтожной концентрации кислорода (Р0з < ІО-9 атм) представляется весьма вероятным (табл. 11).

Парциальное давление кислорода в обратимом равновесии металлов с их окислами при температуре плавления железа (по А. П. Виноградову)

Оценка В. М. Гольдшмидтом зональности Земли, его попытка объяснять ее сопоставлением с металлургическим процессом были не­ обоснованны: тогда пришлось бы допустить одновременное расплав­ ление всей Земли, что противоречит термодинамическим представ­ лениям о сохранении Земли как единого целого; расплавление Зем­ ли неизбежно привело бы к ее распадению на несколько самостоя­ тельных тел.

Поэтому за последние 20 лет астрофизики и космохимики поддер­ живают гипотезу о формировании Земли из холодного протооблака путем агломерации частиц и последующего частичного расплав­ ления, сопровождавшегося дифференциацией вещества Земли.

В СССР впервые подобные взгляды высказал в 40-х годах О. Ю. Шмидт. Он, в частности, одним из первых рассчитал возраст Земли, исходя из числа метеоритов, ежегодно поступающих на Зем­ лю, приняв во внимание те вероятные сроки, которые были бы необ­ ходимы для образования планеты, равной Земле. Полученная цифра (7,6 млрд, лет) лишь в полтора раза превысила ныне установленный возраст Земли. Для расчета была использована формула

где А — константа; t — возраст Земли; Д — масса метеоритного вещества, падающего на Землю за год; тх — масса современной Земли.

Таким образом, гипотеза о холодном протовеществе Земли по­ лучила частичное подтверждение.

Однако каким образом могла происходить дифференциация хо­ лодного вещества протопланеты?

А. П. Виноградов предложил в качестве возможного механизма дифференциации так называемое зонное плавление, при котором происходило частичное плавление вещества при сохранении основ­ ной массы породы в консолидированном состоянии. Для осуществ­ ления зонного плавления необходимо возникновение локальной зоны расплавления (достаточной протяженности на глубину), при котором возникает существенная разница в температурах плавления на верхней и нижней границах зоны за счет повышения давления. Такие локальные очаги расплавления неизбежно должны были воз­ никать в результате первоначальной неоднородности распределения вещества в Земле и прежде всего ее радиоактивных элементов.

Возникший при большой разнице температур на границах зоны расплавления градиент давления, составляющий в общем случае 4—10 град/кбар, окажется на порядок выше обычного адиабатиче­ ского градиента в мантии (0,3 — 0,5 градікбар). Следовательно, расплав окажется механически неустойчивым, и в нем начнется кон­ векция. Перегретые нижние участки расплава, поступая в верхнюю

часть зоны, будут переносить тепло, которое в свою очередь будет способствовать расплавлению кровли, в то время как внизу будет происходить кристаллизация вещества. При этом наиболее легко­ плавкие компоненты будут двигаться кверху, заметно опережая

подвергнутом подобной переработке.

Однако ни в одном случае, даже при многократной переработке подобного рода испытуемого материала, не удалось получить стекло гранитного состава. Иначе говоря, процесс дифференциации хондритового вещества дальше базальтов не мог идти. Для формирования гранитного расплава требовались совершенно иные процессы и ус­ ловия.

§ 2. СТРОЕНИЕ ОКЕАНИЧЕСКОЙ КОРЫ

Мощность океанической коры меньше, чем континентальной. Об этом говорит возрастающее ускорение силы тяжести над океанами, позволяющее судить о сравнительно высоком положении поверх­ ности Мохо и соответственно о малой мощности сиалической обо­ лочки (5—6 км).

Исследования, проведенные на судне экспедиции «Гломар Челленджер» (1969 г.), оборудованном установкой для разбуривания дна океана на больших глубинах, показали, что на дне Атланти­ ческого и Тихого океанов нет осадков древнее верхней юры. Из 30 скважин, пройденных с целью пересечения осадочного чехла, по­

крывающего базальтовое основание дна, четыре скважины достигли базальта. В остальных случаях они пересекли осадки мелового воз­ раста, лишь в одном достигнув титонского яруса. Ни в одной из сква­ жин не было выявлено более древних отложений.

При геофизическом исследовании дна океана были установлены так называемые зебровые структуры — параллельно вытянутые маг­ нитные аномалии, следующие в субмеридиональном направлении. Эти серии аномалий повторяли все изгибы, характерные для главной рифтовой долины, подобно швам, рассекавшим Тихий, Атланти­ ческий и Индийский океаны и соединенных на юге опоясывающей Антарктиду зоной (рис. 18).

При детальном исследовании магнитные аномалии этой зебровой структуры оказались структурными швами, залеченными базальто­ выми излияниями, строго повторяющими контуры береговых линий континентов.

Абсолютный возраст этих базальтов симметрично возрастал по мере удаления от центральной рифтовой долины в стороны и дости­ гал 120 млн. лет. Более древние породы не найдены. Возраст пород в районе самой рифтовой долины оказался близким к современному — 5 млн. лет.

В настоящее время рифтовые зоны Индийского и Атлантического океанов изучены достаточно хорошо. Большой вклад сделали совет­ ские ученые во время экспедиции на судне «И. В. Курчатов», про­ следив подобные структуры в Индийском океане на протяжении почти 1000 км. Сплошное драгирование рифтовых долин на дне океа­ на, имеющих глубину по сравнению с уровнем дна 3—4 км при та­ кой же ширине и*огромном протяжении по простиранию, дало цен­ ные результаты. Большая часть материала, поднятого с глубин, ока­ залась породами ультраосновного и основного состава — гарцбургитами, лерцолитами либо базальтами. Отдельные обломки отлича­ лись высоким содержанием шпинели, хромитов.

При исследовании таких зон в Атлантике (1969 г.) установлено развитие среди них подводного вулканизма, сопровождавшегося значительным обогащением придонных вод и окружающих пород

только особый, в значительной степени утонченный тип земной коры, но что, кроме этого, эта кора местами раскрывается, обнажая тая­ щиеся под ней породы явно мантийного происхождения. И, что са­ мое главное, началось это раскрытие сравнительно недавно — 120 млн. лет назад, в мезозое.

В 20-х годах нашего столетия большой популярностью пользова­ лась концепция А. Вегенера, рассматривавшего континенты как сиалические айсберги, плавающие на поверхности мафических пород мантии.

Доказательства, приведенные Вегенером, легко убедили его со­ временников. Довольно точное совпадение контуров Южной Аме­ рики и Африки, прослеживание мезозойских пород с американского

—O £X?