Геохімія

51

атмосфери щільність потоку радіації складає 2 кал/(см2*хв) (приблизно 1395 Дж/(м2*с). Ця величина має назву сонячної постійної.

Рис. 3.1- Розподіл температури у зовнішніх шарах Сонця [Ламзін С. А., 1980 г.].

Вплив сонячної радіації можна оцінити хоча б з того що один із сильних спалахів на Сонці (23.02.1956) уповільнив обертання Землі на 2 мкс/добу, а частки в 10-7 від енергії цього спалаху було б достатньо для повного випаровування океанів Землі.

Таблиця 3.1 - Хімічний склад Сонця (вмісти наведені по відношенню до водню), [по Грею Д. [1980 г.])

Таблиця 3.2 – Поширеність елементів на Сонці (на 106 атомів Si) - за L.H.Aller, J.E.Ross, 1976.

52

Склад сонячної атмосфери вперше був визначений спектральним аналізом в 1929 році. На сьогодні зроблено вже багато визначень і оцінок складу сонячної атмосфери і Сонця в цілому. Подаються ці вмісти, як правило, в розрахунку на 1 атом H або на 106 атомів Si.

Для атмосфери Сонця (за Л.Аллером і Дж. Россом)

Основну частку маси Сонця складають H (94%) і He (5,9%).

Крім Сонця до складу Сонячної системи входять:

-планети: внутрішні - Меркурій, Венера, Земля, Марс; зовнішні - Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун; а також Плутон

-супутники планет;

-малі планети (астероїди) які обертаються , як планети, по еліптичним орбітам. Загалом їх більше 40 тис., а їхня сукупна маса 0,001 маси Землі;

-комети, які обертаються по сильно витягнутим еліптичним орбітам. Життя комети може бути більшим за сотні або тисячі обертів навколо Сонця, однак їх велика кількість (за деякими оцінками - мільйони) свідчить про існування замер... системи сприятливих умов для їх утворення. Існує також припущення, що ядра комет є висхідним матеріалом з якого формуються планети Сонячної системи.

-метеорні тіла і космічний пил.

Таблиця 3.3 - Порівняльна характеристика Сонця, планет і їх головних супутників

53

Меркурій.

Меркурій має високу густину, що вказує на високий вміст Fe, розмір ядра - до 2/3 діаметра, а температура в ядрі - до 2000К. Магнітне поле слабке (700 гамм - 0,7% земного), у зв’язку з чим припускається рідкий стан ядра. Ландшафт - місячний, з великою кількістю кратерів розміром від 300 м до 120 км, вузькими глибокими долинами (глибина - 2-3 км) і горами до 4 км висотою. Існує розріджена атмосфера (тиск коло поверхні 0,5 атм) яка складається з He, Ne, Ar, Xe. Існування атмосфери контролюється, вірогідно, сонячним вітром і, частково, розпадом U, Th і 40K. Температура на поверненій до Сонця стороні +430-500 С, а на нічній - -200 С. (Більшість даних отримана з “ Марінер-10”).

Венера.

Венера найбільш схожа на Землю з усіх інших планет - розміри, маса, густина близькі до земних.

своєї осі - за годинниковою стрілкою.

На Венері існують високі плато (Земля Іштар, Земля Афродіти тощо), гірські хребти, розломи, депресії. Перепад висот між плато і рівнинами сягає 10 км.

Рис. 3.2 Схематична карта поверхні Венери [35]. Цифрами показані перевищення в кілометрах над умовним нульовим рівнем поверхні 1 - низини; 2 - гориста область; 3 - горбкуваті рівнини

Горбкуваті рівнини - переважний тип рельєфу. На думку упорядників карти Венери, ці райони більше усього нагадують райони місячних материків або підвищення на Марсі і не мають земних аналогів. Гористі райони Іштар і Афродіта за розмірами порівнянні з земними континентами. Низовини характеризуються дуже гладкою поверхнею і порівнювані з місячними морями.

ЦІКАВА ПОРІВНЯЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ГІСТОГРАМ РОЗПОДІЛУ ПЕРЕВИЩЕНЬ НА ТОПОГРАФІЧНИХ КАРТАХ ПЛАНЕТ ЗЕМНОЇ ГРУПИ (МАЛ. 3,3).

54

ВЕНЕРІАНСЬКА ГІСТОГРАМА МАЄ ОДИН ВУЗЬКИЙ ПІК, ОСКІЛЬКИ ЛИШЕ НА 8% ЗАКАРТОВАНОЇ ПЛОЩІ ПЕРЕВИЩЕННЯ НАД НУЛЬОВОЮ ПОВЕРХНЕЮ СКЛАДАЮТЬ БІЛЬШ 1,5 КМ. У ТОЙ ЖЕ ЧАС ДЛЯ 90% ПОВЕРХНІ ХАРАКТЕРНИЙ РЕЛЬЄФ, ШКАЛА ПЕРЕВИЩЕНЬ ЯКОГО МАЄ ІНТЕРВАЛ ±1,5 КМ. АНАЛОГІЧНА ГІСТОГРАМА ДЛЯ ЗЕМЛІ МАЄ ДВА ПІКИ, ЩО ВІДБИВАЄ ТРЬОХКІЛОМЕТРОВУ РІЗНИЦЮ СЕРЕДНІХ РІВНІВ ОКЕАНСЬКОГО ДНА І КОНТИНЕНТІВ. НА МІСЯЦІ ЦЯ БІМОДАЛЬНІСТЬ ВИЯВЛЕНА СЛАБШЕ, ТАМ РІЗНИЦЯ СЕРЕДНІХ РІВНІВ "МАТЕРИКІВ" І "МОРІВ" СКЛАДАЄ ПРИБЛИЗНО 1,5 КМ. ТОПОГРАФІЧНИЙ СПЕКТР МАРСА - ТРИМОДАЛЬНИЙ (ПЛАТО ФАРСИД - СИЛЬНО КРАТЕРИЗОВАНІ ОБЛАСТІ - БАСЕЙНИ).

Щільна (тиск на поверхні близько 90 атм) вуглекисла адіабатична атмосфера підтримує температуру близько 735 К, що панує на планеті в будь-який час венеріанської доби і, мабуть, дуже мало залежить від широти місця. Тропосфера сягає до 70-80 км. Склад атмосфери - CO2

(97%) і N - 2%, а також CO, SO2, H2O, HCl, HF, H2S, COS, H2, O2, Ar, Ne, Kr, Xe < 1%. На висоті

50-70 км - хмарний покрив товщиною до 60 км з крапель сірчаної (H2SO4) та соляної (HCl) кислоти, які, вірогідно, є продуктами вулканізму.

Рис. 3.3 - Гістограма розподілу гіпсометричних перевищень на Місяці, Марсі, Землі і Венері [35]

На поверхні відсутні пори року, клімат поверхні однорідний. Градієнти температур на денній і нічній сторонах спричиняють обертання хмарового покриву із сходу на захід зі швидкістю до

360 км/год.

Інтерпретація наземних радіофізичних досліджень дозволила припустити двошарову будівлю поверхневого горизонту, що відбиває

радіосигнали. По даним [26, 34], верхній прошарок має низьку діелектричну постійну ( ~1,5) і густину ( = 1200-1900 кг/м3). Потужність цього прошарку 0,5-1 м, нижче залягають щільні породи. Ці оцінки узгодяться з середніми величинами ( = 4,7±0,8; = 2300±400 кг/м3) для поверхні планети в цілому по радіолокаційним даним [11].

Датчик радіаційного густиноміру, установленого на СА "Венера-10", ввійшов у контакт із нерівною поверхнею скельного оголення і показав, що щільність цієї масивної породи складає 2800±100 кг/м3, що відповідає щільності земних базальтів із низькою пористістю [23]. Усереднені радіолокаційні дані вимірів відбивної здатності і відповідної їй густини показують малу можливість широкого поширення тонкоподрібнених порід із низькою густиною типу місячного реголіту [II], що, зокрема, підтверджується ландшафтами, зафіксованими

на панорамах "Венеры-9 і -10".

55

1.Гравітаційні аномалії Венери виявляють, на відміну від Землі, сильний зв’язок із топографією. Можливі 2 альтернативи:

a)області гористого рельєфу ізостатично компенсовані на тій же глибині, що й на Землі (близько 100 км), інша частина літосфери - дуже потужна і слабко диференційована;

b)вся літосфера ізостатично компенсована на глибині > 100 км.

2.Вимірювання гравітаційного потенціалу Венери (J2) дозволяють оцінити стійкість надр до дотичним напруженнях (близько 20 бар). Ці величини близькі до відомих для Землі і свідчать на користь порівняної потужності літосфер обох планет.

3.Теоретичний аналіз можливого термічного режиму, в’язкості і фазових відношень у базальтових системах призводить до альтернативних наслідків: або різко збіднена летючими, потужна (500-700 км) літосфера, або "земноподібна" (потужність ~100 км), що містить ~0,2% H2O літосфера.

4.Власне магнітне поле в Венери відсутнє, його напруженість майже не відрізняється від напруженості міжпланетного магнітного поля. Поле, мабуть, наведене магнітним полем електричних струмів, що виникають в іоносфері під впливом сонячного вітру. Можлива причина відсутності магнітного поля - повільне обертання планети.

5.Теплові моделі Венери дають дуже відмінні оцінки величини теплового потоку (15-45*10-3 Дж/(м2*с)). Деякі з таких моделей узгоджуються з уявленнями про потужну, "суху" літосферу і згасання геологотектонічної діяльності на сучасному етапі; геологічні висновки з інших моделей узгоджуються з концепціями геологічно активної планети, схожої на Землю.

Інтерпретація геологічної історії Венери деякими авторами експерименту "Піонер-Венера" об’єднує якоюсь мірою обидві концепції: передбачається, що провінція горбкуватих рівнин є єдиною глобальною плитою, складеною давніми породами кори. На цьому завершився "земноподібний" плито-тектонічний етап (1 млрд. років тому), що супроводжувався втратою води. Сучасна Венера характеризується відсутністю геологічної активності ("марсіанський" етап). Потужність літосфери ~ 100 км, астеносфери, очевидно, немає.

6.Відповідно до теоретичних оцінок валовий хімічний склад планети Венера подібний до складу Землі і суттєво відрізняється від складу Марса та Меркурія. Дефіцит планетарної густини Венери в порівнянні

з"земноподібною" моделлю поки що не має однозначного пояснення. Дуже ймовірний деякий дефіцит планетарних запасів заліза.

a) Обернене і винятково повільне (243 земної доби) обертання Венери навколо власної осі пояснюється з двох протилежних точок зору: катастрофічна подія - сутичка із супутником, або його втеча (можливо, ним був Меркурій); поступове уповільнення (від декількох земних діб або навіть годин) періоду її обертання з перекиданням осі обертання через приливну взаємодію з Землею і Сонцем в атмосфері і надрах.

Неповнота наших знань про планету Венера очевидна, проте вже зараз можна сказати, спираючись як на фактичний матеріал, так і на теоретичні моделі, що Венера має оболонкову будову з рідким ядром, мантією і корою, а її геологічна історія достатньо відрізняється від земної. Не виключено, що планета Венера за своєю геологічною будовою нагадує Землю в докембрії або поєднує ранній "земноподібний" етап із сучасним "марсоподібним".

7.Визначення ізотопних відношень газів венеріанської атмосфери вказує на їх корінні відмінності від відповідних величин характерних для сонячної речовини. Тому компоненти атмосфери Венери не можуть розглядатися як релікти ППТ. Головним джерелом планетарних газів є тверді оболонки Венери. Темп і ступінь процесів дегазації кори і мантії є визначальними для складу атмосфери.

8.Геохімічне поведінка інертних (благородні гази) і хімічно активних (H2O, CO2, N2) компонентів атмосфери різна [5, 33, 38]. Перші - оклюдовані і сорбовані у твердих частках при акумуляції планетних тіл, що призводить до закономірного зменшення їх вмістів при зростанні геліоцентричної відстані. Другі - утворюють хімічні сполуки, тому їх історія визначається планетарними процесами: ступенем і темпом дегазації (катастрофічна і поступова), характером диференціації внутрішніх оболонок планети (кора-мантія-ядро), часом перебування елементу в циклічних процесах у зовнішніх оболонках (атмосфера-гідросфера-кора). Не можна виключати надходження хімічно пов’язаних летючих за рахунок позапланетного джерела (комети) [32] після завершення аккреції. Хімічний склад метеоритних тіл, при акумуляції яких формувалися планети земної групи, продовжує залишатися дискусійним [6, 15, 38].

57

В Юпітера є кільце (h – 1,5 км, S – 16-19 тис. км, r – 128 тис. км), та 12 супутників: Іо, Ганімед, Європа, Калісто та ще 8 значно (в 50-100 разів) менших, більшість з яких, вірогідно, є захопленими гравітаційним полем Юпітера астероїди.

Таблиця 3.5 – Деякі характерні риси головних супутників Юпітера

Сатурн

Друга за величиною планета з самою низькою густиною. Він сплюснутий з полюсів ще більше ніж Юпітер dn = 90% dекв (різниця діаметрів 12000км). Гравітаційне стискання є, очевидно, внутрішнім джерелом тепла (температура атмосфери - 180 С при - 200 С від Сонця).

Вірогідний склад – Н з домішкою Не.

Кільця складаються з частинок льоду з d 1 см, rвн – 15000 км, rзовн – 270000 км, h 4 км.

В Сатурна є 10 супутників. Діаметр першого (Титина) =5830 км, що більше ніж у Меркурія, інші значно (в 5-10 разів) менші. В Титана виявлена атмосфера з NH3 і CH4 .

Уран.

Нахил осі до – площини орбіти всього 8 (лежачи), обертання за годинниковою стрілкою. Різниця між температурою в сантиметровому діапазоні і надходженням сонячного тепла складає 20 (Т - 170 С), що свідчить про надходження тепла з надр. Атмосфера (H2, CH4 і, частково, Не), яка має товщину 27% радіуса і масу 10% від планети, підстилається рідким ядром, що складається переважно H2O.

В Урана є 5 супутників (розміри – від 500 до 1300 км) та 5 кілець.

Нептун

Температура поверхні оцінюється в -220 С, а згідно вимірів в радіодіапазоні - -160 С. В спектрі поглинання Нептуну відмічені CH4, H2, гіпотетично – Не. Має два супутники – Тритон (d 2700 км, маса трохи менша ніж у Місяця) і Нереїда (обертається по сильно витягнутій орбіті).

Плутон.

Фактично є подвійною системою з власне Плутона (d=2500 км) та його супутника Харона (d=1000 км). Харон обертається перпендикулярно до орбіти Плутона на відстані 14 радіусів ( 20 тис. км). Загальна маса системи 1,1 *1025 (в 6 разів менше Місяця), густина Плутона 1,25 г/см3.

Комети

Льодяні тіла, які під впливом Сонячного випромінювання викидають з ядра гази і пил , які відхиляються під тиском сонячного вітру, утворюють хвости комет. Комети містять C2, C3, CN, CH, OH, NH, NH2, H2O, а також CO, N2+, CH+ і атоми H, O, Na, можуть мати невелике силікатне ядро.

Метеорити.

58

Роль метеоритів безсумнівна в формуванні рельєфу планет та їх супутників. Загальна кількість метеоритної речовини, яка випадає на Землю оцінюється від 1 до 10 тис. тон на добу, відомо понад 35 метеоритів масою понад 1 тону (і це при тому, що метеорити з масою <10 г згорають в атмосфері). Енергія вибуху при Тунгуській катастрофі (30.06.1908) склала 1023 -1024ерг.

За складом метеорити поділяються на 4 групи (сидерити, сидероліти, хондрити і ахондрити):

1) Сидерити (частота падінь – 3,3%, частота знахідок – 40,7%) – залізні метеорити, які значною мірою (до 98%) складаються з нікелистого заліза (теніт – Fe<0,8Ni>0,2 і камасит - Fe0,93-0,96Ni0,07-0,04 - вміст нікелю в яких змінюється від 4 до 30 %), в якості другорядних мінералів присутні сульфіди, фосфіди і хлориди заліза (в нехарактерних для Землі мінеральних формах – троїліт FeS, шрейберзит (Fe,Ni)3P), а також графіт. Існує 2 класифікації – рання, стуктурна (гексаедрити – складені кубічними кристалами камаситу, октаедрити – з паралельними до граней камаситу ламелями теніту, атаксити – тонкозернисте зростання камаситу і теніту), та сучасна, яка грунтується на співвідношенні вмістів нікелю, галію та германію.

За допомогою фазової діаграми теніт-камасит (залежність фазового стану від вмісту нікелю та температури) можна встановити швидкість застигання тіла метеориту (якщо відомі швидкості дифузії і встановлена температура утворення зразків камаситу). За отриманими даними залізні метеорити остигають

із швидкостями від 1 до 104 С на млн. років

2) Сидероліти (частота падінь –

1,3%, частота знахідок – 5,9%) –

залізокам’яні метеорити, мають грубозернисту структуру, металічна і силікатні фази знаходяться в рівних (по масі) пропорціях;

поділяються на:

- палласити – залізиста маса складена камаситом і тенітом, кам’яна -

включеннями олівіну (в якості домішок – самородна сірка, троїліт, шрейберзит; - мезосидерити – основу складають фемічний плагіоклаз і піроксени (та невеликі кількості

олівіну – фаяліт9-48), а металева складова є підлеглою – розсіяна або у вигляді самородків. Структура часто катакластична.

Аероліти – кам’яні метеорити, складаються переважно з силікатів, за структурою поділяються на хондрити і ахондрити.

3) Хондрити (частота падінь – 86,9%, частота знахідок – 51,7%) – в якості основного структурного елемента мають хондри – округлі зерна ( представлені олівіном і піроксеном) діаметром до 1мм. Склад хондритів: олівін – 40%, піроксен – 30%, нікелисте залізо – 10-20%, плагіоклаз – 10%, троїліт (FeS) –6%. Інколи зустрічаються так звані вуглисті хондрити (по зовнішньому вигляду схожі на вуглинки). Від звичайних хондритів вони відрізняються наявністю графіту, гідратованих силікатів (серпентин, хлорит), сульфатів, Fe2+ і навіть Fe3+, різноманітних органічних з’єднань до амінокислот включно.

59

Таблиця 3.6 - Класифікація хондритів

Слід зазначити, що в хондритах типу С1 (а також в деяких з хондритів типу С3 - Allende) концентрація елементів майже ідентична тим концентраціям які спостерігаються на Сонці (див. Рис. 3.7). Мінералогічна та хімічна природа вуглистих хондритів дозволяє використовувати їх склад для оцінки відносних кількостей нелетючих компонентів в Сонячній системі. А деякі автори вважають, що хондри є речовиною яка відповідає найбільш раннім з відомих конденсатів сонячної небули.

Рисунок 3.5 – Класифікація хондритів по

вм

іст

у заліза в металевій і сульфідній фазах та окисленого заліза в силікатах.

Рисунок 3.6 – Класифікація ахондритів по вмісту CaO (мас.%) і відношенню мольних долей FeO/(FeO+MgO)

4) Ахондрити (частота падінь – 8,5%, частота знахідок – 1,7%) – хондр нема, грубозернисті основні породи. Поділяються на бідні кальцієм (енстатитові – обрити, гіперстенові – діогеніти, олівін-піжонітові – уреїліти, олівінові - шассіньїти) і багаті кальцієм (авгітові – ангрити, діопсидолівінові – накліти, піроксен-плагіоклазові – евкрити і говардити ). Текстури переважно

60

брекчійовані, структури – часто характерні для вивержених порід. Інколи спостерігається пузирчаста текстура. Саме подібність до земних вивержених порід утруднює ідентифікацію.

Другорядні мінерали – теніт, троїліт, шрейберзит, хроміт, магнетит і кристобаліт

Тектити – округлі скловидні утворення (схожі на обсидіан) земного походження, масою 200-300 г. Склад SiO2 – до 75%, Al2O3, K2O, CaO. Mg і Na майже відсутні.

Рисунок 3.7 – Співвідношення між

концентраціями елементів в фотосфері Сонця та

вуглистих хондритах типу С1.

Основу метеоритів по хімічному складу складають

Al, Fe, Ca, O, Si, Mg, Ni, S, Ga при цьому вміст Ni і Ga

знаходяться в оберненій залежності. Присутні незначні вмісти благородних металів: Pt – 20*10-4%, Pd - 10*10-

4%, Ru - 10*10-4%, Ir, Rh, Au і Ag – по5*10-4%, O3 - 3*10-

4%

Перелік найпоширеніших мінералів метеоритів наведений в таблиці 3.7.

Таблиця 3.7 – Найпоширеніші мінерали метеоритів

За ізотопними дослідженнями метеоритної речовини можна встановити низку вікових показників (параметрів), а саме:

1) Дату падіння метеориту на Землю. Річ у тім, що при бомбардуванні метеориту космічними частками відбуваються реакції розчеплення типу:

56Fe+1H -> 36Cl+3H+3He+24He+31H+4n; T1/236Cl=3*105 років після падіння метеориту на Землю такі реакції, зрозуміло,

припиняються.

2) Час відриву метеориту від материнського тіла – “час космічної експозиції”. Джерелом інформації слугує вивчення співвідношень