Радиогенное тепло, генерируемое в породах
Изучение степени радиоактивности мантии и коры показало, что максимальные концентрации радиоактивных элементов сосредоточены в продуктах конечной магматической дифференциации - породах кислого ряда (гранитах и их излившихся аналогах). Их меньше в базальтах, ничтожно мало в мантийных породах. Незначительные концентрации характерны для метеоритов - исходного вещества Земли.
Рис.3.6.Выделение радиогенной энергии в истории Земли
Следовательно, из общего вклада радиогенного тепла в энергетику дифференциации Земли максимум приходится на (алюмосиликатную) земную кору и является весьма скромным за счет мантии, а тем более ядра Земли. Следовательно, вклад радиогенной энергии в процессы дифференциации ограничен. в основном, пределами земной коры, что не может объяснить причины повышения температуры с глубиной,а также возникновение ядра Земли. Отсюда возникает необходимость поиска других источников энергии.
Энергия глубинной гравитационной дифференциации - важнейший источник тепла Земли. В основе его механизма лежат процессы выделения тепла при перераспределении вещества Земли по плотности при его химических и фазовых преобразованиях. Намечается несколько энергетических уровней. Важнейшим уровнем генерации энергии является граница между мантией и ядром. На глубинах 2700-2900 км в слое Д11 развивается процесс разделения вещества мантии на силикатную и металлическую (точнее металлизированную) части. В условиях больших давлений и температур в этой зоне происходят распад твердых растворов и физическая диффузия окислов железа из кристаллической решетки силикатов в межгранулярное пространство, что приводит к сепарации (отделению) жидких (расплавленных) окислов железа от твердых силикатов. Запускается механизм стекания железа в ядро Земли. Реакции сопровождаются выделением большого количества гравитационной энергии и перегревом мантии. На долю энергии при выделении ядра Земли приходится около 75% от общей теплогенерации Земли.Одновременно формирующиеся высоко нагретые и более легкие массы вместе с растворенными в них литофильными элементами в виде потоков устремляются к поверхности, представляя восходящие струи конвективных потоков (плюмов). Ниже, вдоль границы между внешним и внутренним ядром также генерируется гравитационная энергия, обусловленная дифференициацией и обменом вещества между сферами.
Рис.3.7.Выделение гравитационной энергии в истории Земли
Приливное торможение, падение астероидов и радиогенное тепло предопределяли энергетику Земли более 4 млрд лет тому назад. На этом этапе развития был сформирован мощный слой протоастеносферы, степень плавления, которой могла достичь 50-80%. Отсюда протоастеносфера получила название «магматический океан».В архее с началом образования ядра был запущен новый механизм генерации энергии - химико-плотностной гравитационной дифференциации. Он становится ведущим и предопределяющим общий ход эволюции Земли и образование ее оболочек. Поиски источников энергии эндогенных процессов дифференциации земного вещества привели к открытию этих источников. Определенымасштабы генерации тепла и вклад каждого из них в общий энергетически баланс саморазвивающейся Земли
По расчетам
О.Г.Сорохтина, С.А.Ушакова, Н.Л.Добрецова
и др. каждый этап эволюции Земли
характризовался специфическими условиями
генерации энергии. На самом раннем этапе
ведущее значение имели аккреционная,
импактная, приливная и радиогенная
энергии. Аккреция вещества Земли, падение
на ее поверхность космических тел,
распад радиоактивных элементов и,
наконец, рождение Луны на низкой орбите
определяли масштабы генерации энергии,
её сосредоточением преимущественно в
верхней части разреза Земли. Время
господства этих процессов не выходит
за пределы эоархея. Начиная с позднего
эоархея (4-3,5 млрд. лет назад), особенно
в архее (3,5-2,5 млрд.лет назад) в связи с
запуском механизма гравитационной
дифференциации образования ядра Земли
ведущим становится распад твердых
растворов и диффузии окислов железа
из кристаллов в межгранулярное
пространство. По мнению О.Г.Сорохтина
рождение зародыша железо-никелевого
ядра и его последующий рост сопровождались
колоссальным выделением энергии.
Процессы рождения ядра, выделение при
этом огромного количества тепловой
энергии объясняют неповторимость
архей-палеопротерозойского этапа
геодинамического развития Земли,
выраженного в ее тектонической активности,
масштабах магматизма и метаморфизма.
В позднем протерозое и фанерозое процессы
гравитационной дифференциации
продолжались. Однако масштабы их
проявления снижались. По прогнозам
различных исследователей этот процесс
будет продолжаться еще 2-3 млрд. лет,
после которого Земля исчерпает возможности
генерации тепловой энергии и превратится
в «
мертвую»
планету.
Рис.3.8.Динамика генерации эндогенной тепловой энергии в геологической истории Земли (О.Г.Сорохтин), Суммарное выделение энергии складывается из различных ее видов на разных этапах эволюции Земли.
Таким образом, в дифференциации вещества Земли участвовали различные виды энергии – аккреционной, импактной, лунных приливов, радиогенной и гравитационной. В последние годы, благодаря изучению феномена качания полюса, разницы скоростей вращения мантии и ядра, а также вынужденного его перемещения под воздействием Луны и Солнца делается вывод, что эти процессы также генерируют энергию. Вклад каждого из видов энергии в общий процесс дифференциации вещества Земли осуществлялся на разных глубинных уровнях, в том числе на границе внутреннего и внешнего ядра, ядра и мантии.
Выводы. Важнейшими источниками глубинной,эндогенной энергии в обозримой истории Земли являлись гравитационная и радиогенная энергии.Остальные виды энергии проявились только на ранних стадиях развития Земли.
Познание механизма выхода тепловой энергии, определение местоположения каналов ее транспортировки к поверхности являются, наряду с генерацией тепла, важнейшей проблемой геологии.