- •1. Общие сведения о планете Земля
- •1.1. Рождение Земли
- •1.1.1. Место Земли во Вселенной
- •1.1.2. Происхождение Вселенной
- •1.1.3. Происхождение Солнечной системы
- •1.1.4. Аккреция Земли
- •1.2. Оболочки твердой Земли
- •1.2.1. Источники данных
- •1.2.2. Модель современной Земли
- •1.2.3. Земная кора
- •1.2.4. Мантия
- •1.2.5. Ядро
- •1.3. Гравитационное поле и изостазия
- •1.4. Геотермия
- •1.5. Геомагнетизм
- •1.6. Геохронология
- •2. Тектоника плит
- •2.1. Становление идей мобилизма в геологии
- •2.2. Литосфера и астеносфера
- •2.3. Деление литосферы на плиты и типы межплитовых границ
- •2.4. Кинематика плит
- •2.4.1. Постулаты кинематики плит
- •2.4.2. Относительные и абсолютные движения
- •2.4.3. Мгновенные и конечные движения
- •2.4.4. Описание движений плит
- •2.4.5. тройные сочленения и глобальная увязка движений плит
- •2.5. мантийная конвекция и движущий механизм тектоники плит
- •3.1. Формирование океанской литосферы
- •3.4. Магнитные аномалии океанов
- •3.5. Продвигающиеся рифты
- •4. Происхождение континентальной коры
- •4.2. Коллизия континентов
- •4.4. Формирование континентальной коры
- •5. Палеогеодинамика
- •5.2. Геодинамические обстановки и их индикаторы
- •5.3. Методы палеогеодинамических реконструкций
- •6.1. Энергия аккреции и гравитационной дифференциации
- •6.2. Энергия радиоактивного распада
- •6.3. Энергия приливного взаимодействия
- •Рекомендуемая литература
- •Содержание
превышает температуру плавления влажного перидотита, чем и объясняется существование в верхней мантии зон пониженных скоростей и повышенной электропроводности.
4.Лерцолитовые минеральные ассоциации недеплетированной верхней мантии включают шпинель и гранат. Эти минералы характерны для ксенолитов базальтов и глубинных кимберлитовых трубок.
5.На глубине 400 км происходят фазовые изменения мантии, при которых оливин принимает структуру шпинели, а пироксен – граната; на границе верхней и нижней мантии (670 км) шпинель и гранат принимают соответственно структуры ильменита и перовскита. Эти фазовые изменения вызывают значительное повышение плотности, обусловленное перестройкой атомного каркаса минералов, без какого бы то ни было изменения химического состава.
1.2.5. Ядро
Ядро – сфероид со средним радиусом 3486 км, поверхность которого (раздел Гутенберга) расположена на глубине 2891 км, занимает центральную часть Земли. Раздел Гутенберга выражается резким изменением всех параметров (скорости и условий распространения сейсмических волн, плотности, градиентов давления и температуры), откуда следует однозначный вывод о химической природе границы мантии и ядра.
Прямые сведения о составе ядра отсутствуют, поэтому для его определения, помимо уже упоминавшихся условий распространения сейсмических волн, используются косвенные данные из нескольких источников. Достоверно известно, что: 1) ядро является наиболее плотной оболочкой Земли; 2) внешнее ядро (до глубины 5150 км) находится в жидком состоянии, а внутреннее – в твердом. Таким образом, проблема определения состава ядра состоит в том, чтобы подобрать подходящее вещество, которое при высоком давлении обладало бы установленной плотностью, а также объяснить, почему внутреннее ядро остается твердым, неcмотря на его более высокую температуру по сравнению с внешним ядром.
Самая грубая оценка состава ядра может быть получена из хондритовой модели Земли (см. раздел 1.1.4), согласно которой
52
валовый состав гомогенной Земли до ее дифференциации на обо- |
||||||
лочки был близок к составу метеоритов-хондритов. Если из пер- |
||||||
вичного хондрита убрать силикаты, которые впоследствии пере- |
||||||
шли в кору и мантию и состав которых, заметим, известен гораздо |
||||||
определеннее, чем |
состав ядра, то по- |
|
|
|
а |
|
следнее должно состоять преимущест- |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||
венно из железа с добавкой некоторых |
ó ðà |
|
ЖИДКОЕ |
|
||
других элементов: тем самым обеспечи- |
|
|
|
|||
вается близкое совпадение с плотностью |
Температ |
|
|
внутреннее ядро |
||
и другими наблюдаемыми параметрами |
мантия |
ТВЕРДОЕ |
||||
ядра. |
|
внешнее ядро |
||||
Есть еще один важный источник |
||||||
|
||||||
|
|
Ãëó áèíà |
|
|||
сведений, характеризующих ядро, – су- |
|
|
|
|||
ществование магнитного поля Земли, ко- |
|
|
|
À б |
||
торое, как будет показано в разделе 1.5, |
|
|
ЖИДКОЕ |
|
||
генерируется во внешнем ядре по прин- |
ó ðà |
|
|
 |
||
ципу работы динамомашины, приводи- |
Т емперат |
|
|
внутреннее ядро |
||
мой в движение перемещением жидкос- |
мантия |
ТВЕРДОЕ |
||||
ти (конвекцией). |
|
|||||
|
внешнее ядро |
|||||
Наиболее простая модель (рис. |
||||||
|
||||||
|
|
|
|
|||
1.2.5.1, а) предполагает химически одно- |
|
|
à ëó áèíà |
в |
||
родное ядро, состоящее из вещества, |
|
|
|
|||
температура плавления которого возрас- |
ðà |
|
ЖИДКОЕ |
|
||
тает с глубиной вследствие повышения |
|
|
|
|||
Т емперат у |
|
|
внутреннееядро |
|||
давления быстрее, чем действительная |
|
|
||||
температура. На границе мантии и ядра |
мантия |
ТВЕРДОЕ |
||||
температура плавления падает в резуль- |
внешнее ядро |
|||||
тате перехода от силикатов к железу. |
|
|
|
|
||
При условии, что кривая температуры |
|
|
à ëó áèíà |
|
||
плавления в ядре круче температурного |
Рис. 1.2.5.1. Объяснение |
|||||
градиента, жидкое состояние там долж- |
существования твердого |
|||||
но смениться на твердое; это и опреде- |
внутреннего и жидкого |
|||||
лит границу между внешним и внутрен- |
|
внешнего ядра Земли |
||||
ним ядром. |
|
(объяснение в тексте). |
||||
Однако такое объяснение входит в |
|
|
|
|
||
противоречие с фактом существования магнитного поля Земли, |
||||||
для генерации которого температурный градиент в ядре должен |
||||||
быть по меньшей мере адиабатическим, в противном случае во |
||||||
внешнем ядре не будет поддерживаться конвекция, необходимая |
||||||
для |
возбуждения |
|
|
|
магнит- |
|
|
53 |
|
|
|
|
ного поля и его короткопериодных вариаций. Адиабата в однородном железном ядре будет круче, чем кривая температуры плавления (рис. 1.2.5.1, б). Иными словами, упрощенные оценки температуры в ядре были субадиабатическими (линия В), а линия A отображает минимальный температурный градиент, необходимый для существования конвекции во внешнем ядре. Однако взаимное расположение кривой температуры плавления однородного железного ядра и линии А на рис. 1.2.5.1, б ясно показывает, что внутреннее ядро в этом случае должно быть жидким, а внешнее – твердым, в полную противоположность тому, что наблюдается в действительности.
Таким образом, упрощенная модель однородного по химическому составу ядра оказалась несостоятельной и была отброшена. Более вероятная ситуация изображена на рис. 1.2.5.1, в. Показанная схема соответствует представлению, что внутреннее и внешнее ядро имеют, по-видимому, несколько различный химический состав и потому разные температуры плавления. При этом как внутреннее, так и внешнее ядро должно содержать в качестве основного компонента железо, как следует из хондритовой модели Земли, поскольку для генерации магнитного поля все ядро должно быть хорошим проводником, а другого достаточно распространенного на Земле элемента (вспомним, что ядро включает в себя треть массы нашей планеты), кроме железа, просто не существует.
Как было показано выше (см. рис. 1.2.2.2), плотность внутреннего ядра изменяется в интервале 13,8 – 14,3 г/см3. Согласно результатам лабораторных экспериментов, в ходе которых создавались нужные давления (около 350 ГПа), эти значения плотности слишком велики для чистого железа. Единственно возможный дополнительный компонент, достаточно распространенный и имеющий подходящую плотность, – это никель, образующий, очевидно, во внутреннем ядре сплав с железом, как в железных метеоритах. Содержание никеля во внутреннем ядре составляет, по аналогии с метеоритами, 10 – 20%.
В то время как на внутреннее ядро приходится лишь 2% всей массы Земли, внешнее ядро имеет гораздо бoльшие объем и массу (29%). Его плотность изменяется в интервале 10,0 – 11,4 г/см3 (см. рис. 1.2.2.2). Лабораторные эксперименты показывают, что при давлениях около 140 ГПа, характерных для границы мантии и ядра, плотность чистого железа составляет около 11 г/см3.
54