Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Geodinam / geokniga- ¯«®­®¢-£¥®¤¨­ ¬¨ª -2001.pdf
Скачиваний:
399
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
4.65 Mб
Скачать

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

 

 

Â

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

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.