Реферат: Возникновение Земли

2.Введение.

В настоящее время в науке создалось такое положение, что разработка космогонической теории и реставрация ранней истории Солнечной системы могут осуществляться преимущественно ин­дуктивным путем, основанным на сравнении и обобщении получен­ных совершенно недавно эмпирических данных по материалу ме­теоритов, планет и Луны. Поскольку о строении атомов и поведе­нии их соединений при различных термодинамических условиях нам стало известно очень многое, а о составе космических тел были получены совершенно достоверные и точные данные, то решение проблемы происхождения нашей планеты поставлено на прочную химическую основу, которой были лишены прежние космогониче­ские построения. Следует в ближайшее время ожидать, что реше­ние проблем космогонии Солнечной системы вообще и проблемы происхождения нашей Земли в частности достигнет больших успе­хов на атомно-молекулярном уровне, подобно тому, как на этом же уровне генетические проблемы современной биологии блестяще решаются на наших глазах.

Изотопные соотношения элементов в метеоритном и земном ве­ществе, данные о химическом составе и структуре метеоритов представляются нам все более отчетливо как исторические доку­менты, по которым может быть прочитана ранняя история Солнеч­ной системы и восстановлены условия рождения нашей планеты — Земли. В свете современных данных космохимии и геохимии, астрофизики и геофизики уже сейчас можно заключить, что вещество Земли в прошлом, относительно незадолго до образования планет, находилось в состоянии плазмы и путь становления нашей планеты был связан с эволюцией вещества от плазменного состояния до состояния образования химических соединений, металлических фаз и других форм существования твердых жидких и газообразных тел (при относительно невысоких температурах). При современном со­стоянии науки физико-химический подход к решению проблем космогонии Солнечной системы является совершенно неизбежным. Поэтому давно известные механические особенности Солнечной системы, которым классические космогонические гипотезы уделяли главное внимание, должны быть истолкованы в тесной связи с фи­зико-химическими процессами в ранней истории Солнечной системы. Последние достижения в области химического изучения отдельных тел этой системы позволяют нам совершенно по-новому подходить к реставрации истории вещества Земли и на этой основе восстановить рамки тех условий, в которых происходило рождение нашей планеты – становление её химического состава и формирование оболочечной структуры.

3.Образование мантии и ядра Земли.

Образование Земли связано с аккумуляцией вещества, представленного преимущественно высокотемпературными конденсатами солнечного газа. Однако относительно способа аккумуляции существуют различные мнения. В процессе формирования Земли можно допустить три варианта аккумуляции.

1. Гомогенная аккумуляция, нашедшая наиболее полную раз­работку в гипотезе О. Ю. Шмидта и его сторонников. Она привела к образованию квазиоднородной первичной Земли. Модель пер­воначально гомогенной по составу и строению Земли пользова­лась наиболее широким признанием. Согласно этой модели, со­временное зональное строение Земли возникло лишь в ходе эво­люции, что выразилось в разогревании, частичном плавлении и дифференциации земного вещества под воздействием радиоактив­ных источников тепла.

2. Гетерогенная аккумуляция, определившая с самого начала главные черты строения земного шара — наличие в первичной Земле металлического ядра и мантии. При аккумуляции метал­лических частиц сначала возникло ядро, затем на него осели бо­лее поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную ман­тию первичной планеты.

Идею о том, что Земля начала аккумулироваться первоначаль­но из металлических частиц, высказали В. Латимер, Э. В. Соботович, П. Гаррис и Д. Тозер, а позднее Э. Орован. В дальнейшем она была поддержана К. Таркяном и С. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовым. По К. Таркяну и С. Кларку, первичная Земля аккумулировалась в той последо­вательности, в которой происходила конденсация веществ из пер­вичной солнечной туманности. Крайний вариант гетерогенной ак­кумуляции Земли был недавно предложен Д. Л. Андерсоном и Т. Ханксом, которые полагают, что внутреннее ядро Земли приобрело свой состав за счет самых ранних дометаллических конденсатов, внешнее ядро возникло из металлической фракции и серы, а мантия—за счет аккумуляции силикатной фракции. На заключительных стадиях аккумуляции произошло осаждение ма­териала типа углистых хондритов (С1), включая гидратированные силикаты, летучие и органические соединения.

3. Частично гетерогенная аккумуляция без резких перерывов в составе материалов, строящих земной шар. В этом случае наи­более резкая разница в составе имела место лишь между цент­ральными частями Земли и поверхностными слоями первичной мантии. При таком способе аккумуляции первоначально не было pезких границ между ядром и мантией, подобно современному состоянию. Границы эти установились позже в ходе дальнейшей химической дифференциации, связанной с нагревом. Ядро Земли возникло в результате комбинации процессов гетерогенной аккреции и последующей химической дифференциации. Выплавление железо-сернистых масс и удаление их из разных горизонтов первич­ной Земли путем стекания в центральные области было процессом, протекавшим асимметрично и в дальнейшем определившим асим­метрический характер коры и верхней мантии.

В настоящее время нам довольно обоснованной представляется идея о том, что происхождение земного ядра связано с проис­хождением (способом формирования) самой Земли и Солнечной системы. Химическая эволюция протопланетной туманности, рас­смотренная нами выше, при остывании газа солнечного состава определила то обстоятельство, что в районе аккумуляции веще­ства Земли возникли химические соединения, которые определили химический состав нашей планеты в целом. Начало формирования Земли по всей вероятности, было связано с первичной аккумуля­цией именно металлических частиц. В пользу этого мы можем привести следующую аргументацию.

В процессе аккумуляции планет железоникелевые частицы имели явное преимущество в отношении объединения перед ча­стицами другого состава. Если аккумуляция первоначально про­исходила при высоких температурах, то капли железа при со­прикосновении друг с другом легко сливались в тела компактной массы, образуя зародыши планет. Если агломерация имела место при низких температурах, то металлические частицы ввиду своей пластичности и хорошей теплопроводности объединялись при столкновении. В этом случае происходило поглощение кинетиче­ской энергии. Таким образом могли происходить процессы как “горячей сварки”, так и “холодной сварки” в зависимости от тем­пературы частиц. Заметим, что в некоторых железных метеоритах обнаружены признаки объединения металла в результате соуда­рений.

Наконец при температурах ниже точки Кюри (1043 К для Fe, 598 К для FeS) частицы железа и троилита могли легко намаг­ничиваться в сильном магнитном поле первичного Солнца ив дальнейшем объединялись силами магнитного притяжения. По­скольку силы магнитного притяжения для мелких металлических частиц на много порядков превосходят гравитационные силы, за­висящие от масс, аккумуляция частиц никелистого железа из охлаждающейся солнечной туманности могла начаться при тем­пературах ниже 1000 К в виде крупных сгущений и во много раз была более эффективной, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. По Ф. Хойлу и Н. Викрамасингу, когда происходило непрерывное сжатие Солнца, напряженность магнитного поля могла достигать высоких значений, на два поряд­ка превышающих современную. В этих условиях аккумуляция ферромагнитных материалов типа железоникелевых частиц и трои­лита должна протекать наиболее эффективно, образуя зародыши планет земного типа. Поскольку точка Кюри для железа и же­лезоникелевых сплавов находится вблизи 1000 К, магнитные силы как фактор аккумуляции могут вступить во взаимодействие за­долго до начала окисления железа. П. Гаррис и Д. Тозер вычислили поперечное сечение захвата взаимно намагниченных частиц, которое оказалось в 2-10⁴ раз выше их реального попереч­ного сечения. В то же время они показали, что магнитное взаи­модействие зависит от размеров частиц. Оно весьма незначитель­ное для частиц с диаметром менее 10^--5 см, но при размерах частиц 10^-4 см агрегация наступает довольно быстро. При высоких температурах (свыше 1273 К) в газопылевом облаке все частицы могли сосуществовать независимо до падения температуры ниже точки Кюри. Но при падении температуры ниже точки Кюри маг­нитное взаимодействие железоникелевых частиц становилось ре­шающим фактором аккумуляции в процессе рождения планет.

Из сказанного совершенно естественно вытекает вывод, что при самых разнообразных условиях в первичной туманности железоникелевые сплавы должны аккумулироваться первыми. При дости­жении достаточно крупных масс зародыши планет в дальнейшем могли захватывать более поздние конденсаты солнечного газа пу­тем непосредственного гравитационного захвата.

Совершенно очевидно, что описанные выше процессы вполне относят к нашей планете, для которой гетерогенная аккумуляция представляется совершенно неизбежной. Эта аккумуляция определила первоначальную химическую неоднородность Земли, ее термодинамическую неустойчивость, которая в дальнейшем предопределила ход развития Земли—дифференциацию ее мате­риала, что привело к четкому обособлению границы между ман­тией и ядром, между внутренним и внешним ядром...

В свете изложенного выясняется общая картина рождения Зем­ли. Рост Земли начался с объединения металлических частиц при температурах ниже точки Кюри. Однако нагрев первоначального металлического тела вследствие ударов частиц при аккумуляции привела повышению температур и, возможно, устранил взаимо­действие магнитных сил, которое было основным. Достигнув зна­чительной массы, первичное металлическое ядро—зародыш про­должало гравитационный захват более поздних конденсатов из окружающей среды. На этом этапе аккумуляция стала более го­могенной, и первичная мантия накапливалась как мощная оболоч­ка в виде смеси металлических, силикатных частиц и троилита. При этом весьма вероятно, что в нижних горизонтах первичной мантии содержание металлических частиц было повышенным, а в верхних горизонтах они отсутствовали. Таким образом, первона­чальная мантия по радиусу представляла собой неоднородную смесь металлического и силикатного материала. На поздних стадиях аккумуляции оседали гидратированные силикаты и органические вещества. На завершающих эта­пах аккумуляции Земля путем прямого гравитационного захвата приобрела также часть (вероятно, небольшую) газов, в том числе Н2О, СО2, СО, NНз, Hg, из первичной туманности в силу соб­ственного притяжения.

Исходя из длительности процессов аккумуляции в Солнечной системе порядка п-10⁸ лет, что вытекает из ^l29 I--¹²⁹ Xe и ²⁴⁴ Pu--^132-136 Xe датирования метеоритных образцов, мы можем предположить, что в большей части объема планеты температуры не превышали точки плавления ее материала. Однако в связи с адиабатическим сжа­тием, радиоактивным нагревом от ныне сохранившихся и быстро вымерших радиоактивных изотопов (²⁴⁴ Pu, ²⁴⁷ Cm и ¹²⁹ I) и остаточной тепловой энергии от про­цесса аккумуляции в ранние эпо­хи существования Земли происхо­дило повышение температур и материал планеты местами начал плавиться. Максимальная темпе­ратура была приурочена к центру с последующим ее понижением к периферии. Плавление в результате радиоактивного нагрева и других факторов началось на определенных глубинах, где темпе­ратура превысила точку плавле­ния наиболее легкоплавких ком­понентов при данных условиях давления. Если состав первичной мантии представлял собой смесь силикатной, металлической и сульфидной фаз, то температура плавления эвтектики Fe—FeSбыла самой минимальной (1260 К) и в то же время она в меньшей степени зависела от уве­личения давления. Первым и принципиально нового веществ могло происходить в большей ча­сти объема первичной мантии. Совершенно очевидно, что жидкая расплавленная фаза металла с примесью серы возникала в глубоких недрах планеты легче, чем жидкие расплавленные силикатные массы.

Дифференциация гомогенной модели Земли с плавлением и погружением жидкого железа, сформировавшего ядро Земли, должна была существенно поднять температуру планеты. При полном погружении железа температура должна была повысить­ся на 2270 К, при этом в масштабе всей Земли выделилась бы энергия, равная 15*10³⁰ Дж, по расчетам Г. Юри—4,78*10³⁰ Дж, а Е. Люстиха—16,7*10³⁰ Дж. Это громадное количество тепла должно было расплавить всю нашу планету или же ее большую часть. Однако никаких признаков такого события мы не находим. По гетерогенной модели аккумуляции Земли этого не происходи­ло. Стекание железосернистых масс, охватившее лишь нижние горизонты мантии, привело к сравнительно небольшому выделе­нию общего тепла. В отношении оценки времени не будет большой ошибкой допустить, что образование современного ядра Земли (внешнего железосернистого) произошло в интервале 4,6-4 млрд. лет назад.

Таким образом, по предложенной модели основная масса ядра образовалась в период формирования Земли за счет аккумуляции металлических частиц, а последующее выплавление железосернистых масс в нижних частях первичной мантии завершило формирование всего ядра Земли в целом.

4.Дифференциация мантии и образование коры, гидросферы и атмосферы.

В свете современных геохимических и космохимических дан­ных дифференциация первичной мантии имела двухстороннюю направленность. С одной стороны, происходило выплавление наи­более легкоплавких, но тяжелых компонентов—железосернистых масс с опусканием их к центру ввиду высокой плотности и низ­кой вязкости, что привело к формированию внешнего ядра. С дру­гой стороны, выплавлялись менее легкоплавкие, но обогащенные летучими силикатные фракции, что привело к образованию ба­зальтовой магмы и впоследствии к формированию базальтовой коры океанического типа. Если первый (первый также и в хроно­логическом отношении) процесс приводил к извлечению из пер­вичной мантии преимущественно сидерофильных и халькофильных химических элементов и их сосредоточению в центральном ядре, то второй—к центробежной миграции преимущественно литофильных и атмофильных элементов.

Однако геохимические свойства элементов в зависимости от конкретных физико-химических условий могут меняться. О сте­пени химической дифференциации мантии в какой-то мере мож­но судить, сравнивая относительную распространенность некото­рых элементов верхней мантии и различного типа хондритов. Так, например, отношение Ni: Fe в современной мантии составляет около 0,03, т. е. оно значительно ниже, чем в хондритовых метео­ритах, но выше, чем в метеоритных силикатах. Это можно объ­яснить тем, что на ранней стадии развития Земли большая часть никеля была удалена из мантии путем сегрегации сульфида и металла в ядро. Сравнение относительного распространения шес­ти типичных литофильных элементов верхней мантии Земли с их метеоритным распространением, согласно расчетам Р. Хатчисона, представлено в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что фракционирование литофильных эле­ментов в мантии Земли отличается от такого в хондритовых ме­теоритах. Наблюдается общая тенденция убывания концентрации первых пяти элементов от углистых хондритов до энстатитовых. Верхняя мантия Земли обогащена Al, Mg и Са и обеднена Ti и Сг относительно углистых хондритов. Обеднение верхней мантии Ti и Сг можно объяснить их удалением в былые времена в ядро в виде сульфидов. В связи с этим следует отметить, что в сильно восста­новленных энстатитовых хондритах весь Сг находится в добреелите, а 75% Ti—в троилите.

Таблица 1.

Фракционирование литофильных элементов относительно углистых хондритов

Условия верхней мантии были не та­кими восстановительными, как это имело место в случае форми­рования энстатитовых хондритов, поэтому более высокое содер­жание Ti и Сг находилось в окислах, что, естественно, связано с формой нахождения Fe в верхней мантии. Известно, что Fe в эн­статитовых хондритах не окислено и в их металлической фазе присутствует Si.

Из изложенного вытекает очень малая вероятность того, чтобы легким элементом в ядре Земли был Si, как это допускается не­которыми исследователями. Удаление свыше половины Ti и Сг и значительной доли Ni из верхней мантии в ядро, вероятно, име­ло место во время ранней дифференциации земного шара. Распро­страненность главных литофильных элементов в верхней мантии сходна с моделью формирования Земли, в которой аккумуляция началась с ядра, где сконцентрировался металл, а затем оседал материал, близкий по составу к обычным и углистым хондритам, несколько обогащенным железом. Затем парциальное плавление вызвало определенную потерю сидерофильных и халькофильных (и некоторых литофильных) элементов в первичной силикатной мантии и поступление их в ядро.

Парциальное плавление силикатного материала мантии, обо­гащенного летучими, происходило в пределах верхних горизонтов первичной мантии. Оно началось позже плавления сульфидного эвтектического материала (сульфид + металл). Поскольку увели­чение давления препятствовало плавлению силикатного материа­ла на больших глубинах значительно в большей мере, чем плав­лению металлических и сульфидных веществ, то оптимальные условия для плавления силикатных веществ существовали на определенных критических глубинах. Как вытекает из расчетов Ф. Берча для хондритовой модели Земли, плавление могло происходить в интервале глубин 100—600 км. Возможное при­сутствие летучих несколько уменьшало эти глубины. В связи с этим следует отметить, что плавление началось в пределах того слоя первичной верхней мантии, в котором в процессе аккумуля­ции появился материал, близкий к углистым хондритам (С1), т.е. Земля приобрела гидратированные силикаты, летучие компоненты и первые органические соединения в виде сложных углеводоро­дов, аминокислот и др.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--