Глубинные эндогенные процессы в разрезе Земли

Ядро Земли. На долю ядра приходится 16,38% объема и 31,79% массы Земли. Ядро состоит из вещества с очень высокой плотностью - 11г/см³. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, а внутреннее - в твердом.Новейшие исследования показали, что внутреннее ядро анизотропно и отличается от внешнего большей скоростью осевого вращения.Границы между мантией и ядром, внешним и внутренним ядром являются наиболее контрастными в разрезе Земли, что обусловлено изменениями плотности и химического состава вещества.

Большинство исследователей полагают, что внешнее ядро состоит преимущественно из расплава окиси одновалентного железа Fe₂O и (или) эвстектического сплава Fe и FeO, устойчивых при высоком давлении. Внутреннее ядро представлено железо-никелевым сплавом Fe_0,9Ni_0,1. Между ними дополнительно выделяется промежуточный слой (слой F, по К.Е.Буллену) сульфидного состава FeS.

Вопрос о химическом составе ядра всегда вызывал большие дискуссии среди ученых. Делается вывод, что кроме соединений железа. в ядре присутствуют и другие элементы – Si, O, H, образующих сплавы с железом. Казалось бы, низкая растворимость водорода в расплаве железа при атмосферном давлении исключает его присутствие в ядре. Однако эксперименты при сверхвысоком давлении свидетельствуют об устойчивости гидрида железа FeН. Его присутствие в ядре можно объяснить снижение плотности ядра до значений, согласующихся с данными сейсмологии. Постоянный подток железа из мантии обеспечивает процесс наращивания ядра. Японскими учеными разработана «тектоническая модель роста внутреннего ядра Земли». Согласно их представлениям, внутреннее ядро росло и продолжает расти за счет осаждения твердого «железа» (FeNi) из расплавленного внешнего ядра.

В последние годы особое внимание уделяется роли ядра в развитии планетарных геодинамических процессов. Внутреннее ядро под влиянием сил притяжения Луны и Солнца меняет свое положение внутри жидкого расплава внешнего, что изменяет движения внутреннего ядра и сопровождается изменением вращательного движения Земли. Возникающая дополнительная сила инерции воздействует на все оболочки Земли, особенно сильно в приэкваториальных широтах.

Глубинные эндогенные процессы на границе между твердым внутреннем и жидким внешним ядром. Ранее считалось,что природа этой границы контролируется солидусом железа и адиобатическими условиями на контакте между сферами.При этом смещение границы и рост внутреннего ядра были обусловлены общим его охлаждением,а центр ядра занимал устойчивое положение и совпадал с центром Земли.

Однако недавно французскими и японскими геофизиками при изучении внутреннего строения Земли сделано важное открытие.Внутреннее твердое ядро,помещенное в сферу жидкого внешнего,под действием гравитационных сил солнечной системы меняет свое положение,т.е.смещается относительно центра Земли.Тем самым вещество внутреннего ядра попадает в разные адиобатические обстановки и создаются условия,когда один край начинает испытывать плавление,а другой кристаллизацию (рис.4.3 ). Так, в Восточном полушарии, примерно под Россией и Китаем оно постепенно плавится, а в Западном – твердеет, сообщает ученые. Специалисты пришли к выводу, что земное ядро более динамично, чем они предполагали ранее.Благодаря этим выводам возможно дальнейшее изучение природы магнитного поля Земли,смену его полярности.В зоне кристаллизации легкие элементы-примеси перемещаются из твердого в жидкое ядро.Последнее становится более железистым.

Рис.4.3.Изменение положения внутреннего ядра. Геометрический центр внутреннего ядра немного сдвинут относительно центра. Части ядра на западе и востоке обладают разной температурой.Это ведёт к односторонним плавлению (справа) и кристаллизации (слева) и приводит в движение всю массу ядра к западу.

Если эта модель верна, то внутреннее ядро всё ещё растёт, оно впитывает в себя железо быстрее, чем железо плавится вновь. И, поскольку движение внутренней части влияет на внешнюю, что порождает магнитное поле.Теперь учёные должны пересмотреть природу магнетизма Земли.Приливное взаимодействие между Землей и Луной в поле притяжения Солнца изменяет орбитальные параметры вращения внутреннего ядра,что отражается на его геодинамическом состоянии. Изменение скоростей вращения Земли, как и смещение ее оси, повлияло на климате Земли, инверсии магнитного поля и, вероятно, на многие другие геологические процессы и события.

Глубинные эндогенные процессы на границе мантии и ядра.

Слой Д¹¹–первый главный уровень дифференциации вещества мантии. В основании нижней мантии, по сейсмическим данным, вещество внешнего ядра находится в жидком состоянии. Связующим звеном между мантией и ядром является выделенный К.Е.Булленом слой Д¹¹. Его мощность меняется от 200 до 300 км, а неровности поверхности слоя совпадают с рельефом ядра.Вязкость слоя Д¹¹ варьирует. В подошве выделяется зона ультранизких скоростей, свидетельствующих о высокой степени плавления вещества.

Слой Д¹¹ играет особо важную роль в развитии Земли, ее глубинной и, в целом, глобальной геодинамике. Здесь в ходе дифференциации вещества мантии генерируется огромное количество тепловой энергии, происходит пополнение железом ядра.

Познание природы и процессов формирования ядра Земли относится к числу важнейших проблем глубинной геодинамики. В исходном веществе Протоземли содержание железа в разной форме составляло общей массы в %: Fe – 13,1, FeО – 22,76, FeS – 2,17. В настоящее время по расчетам О.Г.Сорохтина в мантии содержится FeO – 4,37% и Fe₂O₃ – 4,15%, тогда как ядро полностью состоит из железа (Fe – 43,41%, FeO – 49,34%, FeS – 6,69%) и примеси Ni – 0,56%. Каковы причины и механизмы сепарации железа в состав ядра? На каком этапе развития Земли произошло его формирование?

Эксперименты с использованием алмазных ячеек в прессах и разогрева различных смесей лазерными лучами позволили создавать термобарические обстановки, соответствующие разным гипсометрическим уровням разреза Земли, вплоть до внутреннего ядра. Корреляция этих данных с сейсмическими показателями показала, что наиболее реальной моделью ядра является ее двухслойное строение. Внутреннее твердое ядро имеет железо-никелевый состав, а внешнее находится в жидком состоянии и представлено эвтектическими расплавами окисного железа Fe₂O(Fe·FeO). Температура плавления эвтектического сплава Fe·FeO существенно ниже температуры плавления исходных компонентов. Более того, в разрезе Земли выделились зоны, где температуры солидуса сплава ниже адиабатического распределения температуры в мантии и ядре. Отсюда делается важный вывод – в разрезе Земли выделяется интервал, где возможно извлечение окислов металлов из силикатов и преобразования их в расплавы.

Эти данные позволяют сформулировать главные положения о поведении железа в мантии и сосредоточении его в разных формах в ядре. Железо может находиться в жидком состоянии с глубины от 2200 км до 5120 км, что соответствует низам мантии и внешнему ядру. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии.Исходя из баланса исходных форм железа в Протоземле следует допускать, что внешнее ядро представлено эвтектическим расплавом его окислов (Fe₂O). Вторым важнейшим выводом является то, что термобарические обстановки в мантии исключают возможность плавления слагающего ее силикатного вещества, за исключением астеносферного уровня.

Рис.4.4.Масштабы генерации жидкого железа достигают максимума в основании нижней мантии,особенно в слое Д¹¹

Механизм извлечения железа из твердых силикатов, минуя необходимость их расплавления,разработан О.Г.Сорохтиным. Позднее модель была подтверждена экспериментальными работами У.Отани, А.Рингвуда и В.Хабберсона. В основу бародиффузивного механизма дифференциации мантийного вещества положен принцип Ле-Шателье о распаде твердых растворов под влиянием высокого давления. В результате происходит диффузия окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярнее пространство вещества мантии.

Рис.4.5.Адиабатическая температура и плавление ядерного» вещества (Fe, Fe·FeO) в разрезе Земли (О.Г.Сорохтин).

Поиск по сайту: