Меню

5 дифференциация ядра земли по вещественному составу

Дифференциация Земли

Образовавшиеся планеты, поначалу рыхлые, сжимались под действием собственной силы тяжести. При этом внутренние их слои разогревались и расплавлялись. Основной вклад в первоначальное нагревание внутренних слоев внес распад радиоактивных элементов, которыми, как свидетельствует изотопный состав метеоритов, первичная туманность была весьма богата.

В составе Земли, как и других планет земной группы, весьма много железа, как чистого, так и в соединениях. Обладая значительно большей плотностью, чем остальные минералы, расплавленное железо опускалось к центру планеты. При этом его потенциальная энергия превращалась в тепловую, которой, по оценкам, было достаточно для нагрева всего земного шара до 2000 К. Таким образом, в истории Земли был этап, когда вся она находилась в расплавленном состоянии. Единственное исключение представляет внутреннее ядро. Оно находится под столь высоким давлением вышележащих слоев, что остается твердым даже при температурах в несколько тысяч градусов.

Изложенная картина расслоения Земли на железное ядро и силикатную мантию основана на модели гомогенной аккумуляции, в которой считается, что первоначально наша планета была химически однородной по всему объему. По-ви­ди­мо­му, более точной является модель гетерогенной аккумуляции, в которой расслоение возникает уже на этапе формирования протопланеты. В этой модели считается, что образование планет шло полным ходом, когда первичная газовая туманность была еще достаточно горячей.

Вначале из газовой фазы начали конденсироваться и слипаться друг с другом твердые частички наиболее тугоплавкого компонента — железоникелевой смеси (тем­пе­ратура затвердевания 1620–1790 К). Слипание железоникелевых капель друг с другом при соударениях облегчалось хорошей пластичностью, присущей металлам. Это должно было привести к образованию железного ядра Земли уже на ранних стадиях ее формирования. Когда температура туманности опустилась до 1400–1600 К, началась конденсация магнийсодержащих силикатов (MgSiO3 и Mg2SiO4), частички которых оседали на готовое ядро планеты. При этом продолжалась конденсация и слипание железосодержащих (например, FeS) частиц, которая шла тем более эффективно, что они могли намагничиваться в магнитном поле Солнца. Поэтому первичная мантия Земли содержала как силикаты, так и соединения железа, что предполагает возможность дальнейшего расслоения.

Как и в модели гомогенной аккумуляции, дальнейшая эволюция Земли связана с ее нагревом и полным или частичным расплавлением благодаря гравитационному сжатию, распаду радиоактивных изотопов и ударам падающих частиц. Это неизбежно должно было привести к дифференциации вещества планеты на тяжелое ядро и более легкие вышележащие слои.

Процесс дифференциации не завершился и в наши дни. Он является основной движущей силой геотектонической активности планеты.

Дата добавления: 2015-01-13 ; просмотров: 1430 ;

Источник

Вещественный состав Земли

О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.

Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.

Однако в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно — состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.

Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Это хорошо согласуется и с данными о плотности вещества ядра, и с наличием магнитного поля, с данными о характере дифференциации хондритового вещества, и с другими фактами. Эксперименты при сверхвысоких давлениях показали, что при давлениях достигаемых на границе ядра и мантии, плотность чистого железа близко к 11 г/см 3 , что выше фактической плотности этой части планеты. Следовательно, во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются водород или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.

Читайте также:  Земля сколько слогов сколько

Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей (табл.). Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

Химический состав мантии Земли

Окислы Содержание, весовые %
Пиролитовая
модель
Лерцолитовая
модель
Хондритовая
модель
SiO2 45,22 45,3 48,1
TiO2 0,7 0,2 0,4
Al2O3 3,5 3,6 3,8
FeO 9,2 7,3 13,5
MnO 0,14 0,1 0,2
MgO 37,5 41,3 30,5
CaO 3,1 1,9 2,4
Na2O 0,6 0,2 0,9
К2О 0,13 0,1 0,2

Дискуссионным является форма нахождения этих элементов: в форме каких минералов и горных пород они находятся?

До глубины 410 км, согласно лерцолитовой модели, мантия состоит на 57% из оливина, на 27% из пироксенов и на 14% из граната; её плотность около 3,38 г/см 3 . На границе 410 км оливин переходит в шпинель, а пироксен – в гранат. Соответственно, нижняя мантия состоит из гранат-шпинелевой ассоциации: 57% шпинели + 39% граната + 4% пироксена. Превращение минералов в более плотные модификации на рубеже 410 км приводит к увеличению плотности до 3,66 г/см3, что отражается в возрастании скорости прохождения сейсмических волн через это вещество.

Следующий фазовый переход приурочен к границе 670 км. На этом уровне давление определяет разложение минералов, типичных для верхней мантии, с образованием более плотных минералов. Вследствие такой перестройки минеральных ассоциаций плотность нижней мантии у границы 670 км становится около 3,99 г/см3 и постепенно нарастает с глубиной под воздействием давления. Это фиксируется скачкообразным нарастанием скорости сейсмических волн и дальнейшим плавным нарастанием скорости границы 2900 км. На границе мантии и ядра, вероятно, происходит разложение силикатных минералов на металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации мантийного вещества сопровождается ростом металлического ядра планеты и выделением тепловой энергии.

Суммируя приведённые данные, необходимо отметить, что разделение мантии обусловлено перестройкой кристаллической структуры минералов без значимого изменения её химического состава. Сейсмические границы раздела приурочены к участкам фазовых превращений и связаны с изменением плотности вещества.

Раздел ядро/мантия является, как отмечено ранее, очень резким. Здесь резко изменяются скорости и характер прохождения волн, плотность, температура и другие физические параметры. Такие радикальные изменения не могут быть объяснены перестройкой кристаллической структуры минералов и, несомненно, связаны с изменением химического состава вещества.

Более подробные сведения имеются в вещественном составе земной коры, верхние горизонты которой доступны для непосредственно изучения.

Химический состав земной коры отличается от более глубоких геосфер в первую очередь обогащённостью относительно лёгкими элементами – кремнием и алюминием.

Достоверные сведения имеются только о химическом составе самой верхней части земной коры. Первые данные о её составе были опубликованы в 1889 году американским ученым Ф. Кларком, как среднеарифметические из 6000 химических анализов горных пород. Позже, на основании многочисленных анализов минералов и горных пород, эти данные многократно уточнялись, но и сейчас процентное содержание химического элемента в земной коре называется кларком. Около 99 % в составе земной коры занимают всего 8 элементов, то есть они имеют наибольшие кларки (данные об их содержании приведены в таблице). Кроме того, могут быть названы ещё несколько элементов, имеющих относительно высокие кларки: водород (0,15%), титан (0,45%), углерод (0,02%), хлор (0,02%), которые в сумме составляют 0,64%. На все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях, остаётся 0,33%. Таким образом, в пересчёте на окислы, земная кора в основном состоит из SiO2 и Al2O3 (имеет «сиалический» состав, SIAL), что существенно отличает её от мантии, обогащённой магнием и железом.

Вместе с тем, нужно иметь в виду, что приведённые выше данные о среднем составе земной коры отражают лишь общую геохимическую специфику этой геосферы. В пределах земной коры по составу существенно различается океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора образуется за счёт поступающих из мантии магматических расплавов, поэтому в значительно большей степени обогащена железом, магнием и кальцием, чем континентальная.

Среднее содержание химических элементов в земной коры
(по Виноградову)

Источник

Ядро Земли: строение, состав и температура внутри

В наше время констатирование факта, что есть ядро Земли, никого не удивит. А вот подкрепить это констатирование каким-нибудь доказательством значительно сложнее.

Читайте также:  Как вывести пятно от земли со светлой ткани

Для того, чтобы доказать наличие металлического и притом жидкого ядра, следует обратиться к оправдавшей себя дисциплине, какой является сейсмология.

Ядро Земли центральная геосфера находящаяся под мантией радиусом порядка 3500 км и состоящая, вероятно, из расплавленного железа и никеля температурой порядка 6000 градусов.

Попробуем собрать те немногие аргументы, которые говорят в пользу существования, состояния и состава земного ядра.

Доказательства по составу

Основные физические данные – масса, форма Земли, средняя плотность, момент количества движения – показывают, что по направлению вглубь планеты увеличивается количество материала, масса которого весьма отличается от массы верхних слоев горных пород. Это должна быть материя, которая значительно тяжелее, чем та, которая встречается на поверхности. Даже породы, из которых состоит верхняя мантия, не обладают такой высокой плотностью, какая соответствовала бы физическим свойствам требуемым средней плотностью всего земного шара. Конечно, состав и строение Солнца как звезды очевидно совсем другое.

Поэтому предположение о наличии тяжелого центра нашей планеты является, с физической точки зрения, в сущности, единственным решением. Возможно есть вырожденное вещество со свободными электронами. И с космохимической точки зрения, при сравнении количества элементов в метеоритах и состава звезд следует, что Земля должна иметь внутри гораздо больше тяжелых элементов, чем находится на ее поверхности: например, больше железа, чем встречается в верхних горных породах и в породах верхней мантии. Но где-то на планете оно должно быть.

Доказательство о наличии ядра Земли исходит от сейсмологии, из изучения распространения сейсмических волн при прохождении через планету.

Доказательство было получено в начале 20 века. Граница между мантией и внешним ядром лежит на глубине 2900 км. Ее называют разделом Вайхерта-Гуттенберга. Она значительно выразительнее, чем граница между земной корой и мантией (раздел Мохоровичича). Здесь происходит сильное изгибание и отклонение сейсмических волн. А волны одного типа, так называемые S-волны, через эту границу даже не проникают.

Именно это и является доказательством, что внешняя часть ядра Земли находится в жидком состоянии, поскольку S- волны в жидкости не распространяются.

Состав центра планеты

Лабораторные опыты, во время которых в течение более длительного времени проверялись физические условия, существующие на границе мантии и внешнего ядра, то есть на глубине 2900 км, удалось провести пока лишь в отдельных случаях и на короткий период, поэтому геологи надеются на изучение явлений, имеющих место при крупных взрывах.

Итак, внешнее ядро является жидким, тогда как внутренняя часть – субядро, называемое ядрышком, вероятно, твердое.

Но само железо не имеет соответствующих свойств, поэтому предполагается, что в земном ядре присутствует еще один металл — никель, а некоторые ученые полагают, что там есть еще довольно значительное количество (около 10-20%) металлического кремния. При этом проводится сравнение с металлическими метеоритами, которые, помимо железа, содержат значительное количество никеля.

А поскольку весьма возможно, что железные метеориты являются остатками какой-то небольшой, распавшейся или разбитой в результате столкновения планетки (результат столкновения в Космосе), ученые считают, что центр Земли обладает железно-никелевым составом. Однако ответ на эти вопросы ученые смогут получить только в будущем, сначала экспериментальным путем в лаборатории. Может быть, удастся сконструировать и такую аппаратуру, которая проникнет в фантастические глубины мантии или даже в само ядро.

В нынешнее время бурение к центру планеты невозможно технически. Самое глубокое бурение было на глубину в 12 262 метра на Кольском полуострове в СССР и закончилось в далеком уже 1991 году.

В настоящее время нет информации про бурение к центру Земли в каких-либо странах.

Источник

Ядро Земли

Ядро́ Земли́ — центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Средний радиус сферы — 3,5 тыс. км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура в центре ядра Земли достигает 5000 С, плотность около 12,5 т/м³, давление до 361 ГПа (3,7 млн атм). Масса ядра — 1,932·10 24 кг.

Читайте также:  Договор земли в куми

Известно о ядре очень мало — вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами. Образцы вещества ядра недоступны.

Содержание

Обычное заблуждение

Иногда утверждается [кем?] , что источником магнитного поля Земли является железо ядра. Это заблуждение основано на представлении обывателей о постоянном магните. На самом деле ферромагнитные свойства железа (да и любого металла вообще) пропадают выше точки Кюри. Источником магнитного поля Земли является движущийся проводник — жидкий металл или водород.

История изучения

Вероятно, одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем плотность, характерная для пород, выходящих на земную поверхность.

Существование было доказано в 1897 году немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 году американским геофизиком Б. Гутенбергом.

Основоположник геохимии В. М. Гольдшмидт в 1922 году предположил, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже.

Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Е. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (1960-е—70-е годы).

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет-гигантов — Юпитера, Сатурна и других. Сейчас [когда?] предполагается, что магнитное поле таких планет возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзай предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро).

Состав ядра

Состав ядра непосредственно неизвестен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.

С другой стороны, из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10 % меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.

Наконец, состав ядра можно оценить, исходя из геохимических соображений. Если каким-либо образом рассчитать первичный состав Земли и вычислить, какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым можно построить оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.

О.Г. Сорохтин предложил гипотезу о составе внешнего ядра из так называемого «ядерного вещества», не существующего при нормальных условиях. «Ядерное вещество» представляет собой оксид одновалентного железа Fe2O. При давлении 250-300 ГПа «ядерное вещество» разлагается на железо и кислород, поэтому внутреннее ядро, давление в котором превышает упомянутое значение, состоит из железа с примесью никеля. По мнению Сорохтина, со временем оксиды железа из мантии Земли под действием силы тяжести опускаются в ядро, превращаясь в «ядерное вещество». При этом выделяется кислород, причём по мере уменьшения количества оксидов железа в мантии его выделяется всё больше. Часть этого кислорода поступает в атмосферу. До начала фанерозоя кислорода образовывалось крайне мало, затем увеличение его концентрации в атмосфере вызвало резкий всплеск развития жизни на Земле («кембрийский взрыв»). Но именно ещё большее увеличение парциального давления кислорода в атмосфере Земли через 500-600 миллионов лет (до значения порядка 0,5 МПа) вызовет глобальное потепление и вымирание всех живых организмов, а затем и полное выкипание океана задолго до превращения Солнца в красный гигант.

Источник

Adblock
detector