Бародиффузионный механизм дифференциации земного вещества
Разработка теоретической модели действующего в настоящее время процесса дифференциации земного вещества, приводящего к увеличению в центре Земли массы плотного ядра, сопряжена с решением ряда труднейших задач. Действительно, сам процесс дифференциации непосредственно не наблюдаем, а судить о нем приходится только по косвенным проявлениям на поверхности Земли и анализируя данные экспериментальной и теоретической физики. Один из сложных моментов изучения этого процесса возникает за счёт значительного превышения температуры плавления силикатов на больших глубинах над адиабатической температурой мантии. Действительно, по наиболее вероятным оценкам плавление силикатов мантии при высоких давлениях, господствующих на её подошве, превышает 8 000 К, тогда как температура мантии на этих же глубинах близка к адиабатической — приблизительно 3 200 К. Очевидно, что существование такого значительного температурного барьера около 5 000 °С полностью исключает предположение о возможности выделения земного ядра за счёт его выплавления из мантии.
Именно это заставило предположить, что в настоящее время выделение окислов железа из силикатов мантии происходит благодаря распаду твёрдых растворов под влиянием высоких давлений и диффузии окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства мантийного вещества (Монин, Сорохтин, 1981). Такое предположение основано на принципе Ле-Шателье и экспериментально установленном явлении распада твёрдых растворов под влиянием высоких давлений в тех случаях, когда мольный объем этих растворов превышает сумму мольных объёмов входящих в него компонент, т. е. когда растворение данного компонента приводит к увеличению относительного объёма раствора. Распад растворов происходит благодаря снижению под влиянием давления растворимости компонентов в рассматриваемом растворе.
Эксперименты с реальными твёрдыми растворами показали, что их распад неплохо описывается теоретическими выражениями. Это даёт нам право использовать теорию распада твёрдых растворов для описания процесса выделения окислов железа из силикатов мантии. К сожалению, нам не известна по экспериментальным данным величина объёмного эффекта смешения окислов железа с силикатами при высоких и сверхвысоких давлениях. Однако можно ожидать, что после первого электронно-фазового перехода в железе стереометрия его окиси Fe2O будет резко отличаться от строения других силикатообразующих окислов. По данным же экспериментов смесимость компонентов с разной кристаллической структурой при повышении давления резко падает. Это позволяет предположить, что твёрдые силикатные растворы, содержащие окись железа, при давлениях, превышающих уровень первого электронно-фазового перехода в железе (около 130 кбар), могут распадаться.
Однако для выделения окислов железа из вещества мантии ещё недостаточно самого процесса распада силикатов, так как необходимо ещё вывести эти окислы железа за пределы кристаллической решётки силикатов в межгранулярные пространства. Механизм такого вывода окислов железа из кристаллов и зёрен силикатов, очевидно, может быть связан только с диффузией. Но обычно термическая диффузия приводит к гомогенизации вещества, здесь же должна наблюдаться прямо противоположная картина концентрации окислов железа в межгранулярных пространствах и плёнках. Такая ситуация может возникать только в одном случае, если на пути диффундирующих атомов существуют энергетические барьеры, позволяющие им перемещаться в одном направлении и затрудняющие возвратные движения.
Такие естественные энергетические барьеры возникают на гранях кристаллов и отдельных зёрен. Действительно, при диффузии из кристалла некоторого объёма окислов железа выделяется энергия, пропорциональная возникшему уменьшению суммарного объёма вещества при данном давлении. Очевидно также, что для обратной диффузии окислов железа в кристалл теперь уже придётся произвести дополнительную работу, направленную на преодоление давления и расширения вещества на ту же величину объёма. Благодаря этому явлению окислы железа, диффундировавшие из кристаллов и зёрен силикатов, при высоких давлениях, господствующих в нижней мантии, уже не могут вернуться обратно и должны постепенно накапливаться в межгранулярных пространствах и межкристаллических плёнках.
При рассмотрении процессов диффузии, естественно, необходимо помнить, что в действительности по вакансиям и дефектам кристаллической решётки перемещаются только атомы, а не их соединения. Поэтому было бы корректнее отдельно говорить о диффузии железа и кислорода с их парциальными коэффициентами диффузии. Несовпадение значений этих коэффициентов приводит к разной скорости перемещения атомов и как следствие этого к нарушению стехиометрических составов в равновесных соединениях диффундирующих элементов. Однако нарушение стехиометрических отношений, в свою очередь, вызывает появление и возрастание химических потенциалов в пограничных слоях, разделяющих разошедшиеся атомы. В результате добавления новой энергии скорости диффузии железа и кислорода должны выравниваться в соответствии с составом устойчивого при данных условиях соединения или эвтектического расплава.
Под влиянием высоких давлений, превышающих давление первого электроннофазового перехода, у железа резко меняются его физические и химические свойства. Действительно, после такого перехода у атомов железа, как и у меди, на внешней s-оболочке остаётся только по одному электрону. Но эндогенных силикатов меди не существует, поэтому можно ожидать, что и силикаты железа в нижней мантии становятся неустойчивыми и должна распадаться. В этих условиях устойчивой формой соединения железа, как мы уже отмечали в разделе 2.6, по-видимому, является эвтектический расплав Fe×FeO, эквивалентный окиси одновалентной фазы железа (Сорохтин, 1971). Можно предположить также, что реакция распада двухвалентной окиси железа 2FeO — Fe2O + O будет происходить на гранях кристаллов благодаря диффузии атомов железа и кислорода из железистых силикатов. С другой стороны, эта же реакция будет контролировать и значения коэффициентов диффузии железа и кислорода таким образом, чтобы за гранями кристаллов (в межгранулярных пространствах) возникало устойчивое соединение Fe×FeO (или Fe2O).
Учитывая приведённые соображения, здесь и в дальнейшем мы будем говорить о диффузии окислов лишь условно, для упрощения изложения, имея в виду их эффективную диффузию и помня, что физически в твёрдых средах могут диффундировать только атомы. В связи с тем что рассматриваемый процесс дифференциации земного вещества определяется как давлением, так и вызванной этим давлением диффузией атомов в кристаллах силикатов, сам процесс дифференциации по такому механизму мы будем называть бародиффузионным.
Из теории следует, что предельная концентрация компонента, увеличивающего относительный объем раствора, с увеличением давления только уменьшается по экспоненциальному закону. При этом, процесс разделения фракций может развиваться только в том случае, когда исходная концентрация компонента превышает его предельную концентрацию для данных значений давления и температуры (рис. 34).
Для окиси железа, входящей, например, в оливин, до давления 130 кбар в присутствии MgO наблюдается полная смесимость окислов с кремнезёмом вплоть до стехиометрического отношения в фаялите (Fe2SiO4). Поэтому предельную концентрацию двухвалентной окиси в силикатах при низких давлениях можно принять приблизительно равной 0,706, или в пересчёте на «ядерное» вещество Fe2O ~ 0,628. Современная средняя концентрация окислов железа в мантии в пересчёте на FeO = 0,083 (см. табл. 1), а в пересчёте на «ядерное» вещество C(Fe2O) ~ 0,074. Поэтому при низких давлениях никакой дифференциации окислов железа происходить не может.
Учитывая, что предельная концентрация насыщения силикатов окислами железа с давлением быстро уменьшается по экспоненциальному закону, можно ожидать, что в нижней мантии существует такой уровень, глубже которого начинает выполняться условие распада твёрдых растворов. Мы предположили, что в настоящее время этот уровень совпадает с глубиной перегиба кривой функции механической добротности мантии на глубине около 2 000 км (см. рис. 20), которой соответствует давление 0,89 Мбар и температура около 2 730 К. Тогда можно ожидать, что на этом уровне предельная концентрация «ядерного» вещества в растворе силикатов равна 0,074, откуда удаётся определить, что на поверхности земного ядра (при давлении 1,38 Мбар и температуре 3 130 К) значение предельной концентрации насыщения этим веществом силикатов мантии приблизительно равно C(Fe2O) ~ 0,027. Следовательно, глубже 2 000 км концентрация окислов железа (в пересчёте на Fe×FeO) в мантийном веществе всегда оказывается выше их предельной концентрации в силикатных растворах, как это показано на рис. 33. Отсюда следует, что выделение окислов железа из мантийного вещества, т.е. химико-плотностная дифференциация мантии, сейчас развивается только на глубинах от 2 000 км до поверхности ядра (2 886 км). В будущем по мере уменьшения концентрации окислов железа в мантии (за счёт их перехода в ядро) диапазон глубин, в которых происходит дифференциация мантийного вещества, будет только сокращаться.
Бародиффузионная сепарация «ядерного» вещества от силикатов сопровождается выделением заметной энергии. Согласно нашим оценкам, на глубине 2 000 км эта энергия равна 102 кал на каждый грамм выделившейся окиси Fe2O. На подошве нижней мантии эта энергия увеличивается до 151,6 кал/г. Всего же за время жизни Земли таким путём выделилось примерно 1,3×1037 эрг, или около 6,5% общей энергии гравитационной дифференциации Земли. Попутно отметим, что большая часть этой энергии ушла на упругое сжатие вещества.
Приведённые здесь оценки эффектов уплотнения среды при бародиффузионной дифференциации мантийного вещества были опубликованы ещё в 1981 г. (Монин, Сорохтин, 1981). Несколько позже появилась экспериментальная работа У. Отани, А. Рингвуда и В. Хабберсона (Ohtani et al., 1984), показывающая, что под влиянием высоких давлений происходит образование эвтектических сплавов железа с его окисью Fex×Fex-1, также сопровождающихся возникновением сильных эффектов уплотнения. Полученные результаты показывают, что формирование состава «ядерного» вещества с большим объёмным эффектом, возникающим под влиянием высоких давлений, должно идти по линии образования эвтектического сплава Fex×Fex-1 с наименьшим мольным объёмом.
Предположение о том, что дифференциация мантийного вещества развивается только в нижней мантии, косвенно подтверждается и некоторыми геофизическими данными. Так, на глубинах от 1800-2000 до 2900 км заметно возрастает затухание сейсмических колебаний, а фактор добротности Qц для продольных волн, как это видно из рис. 20, на этом интервале глубин падает приблизительно от 500 до 115 вблизи поверхности ядра (Teng, 1968). Выделяется нижний слой мантии D’’ и по затуханию собственных колебаний Земли, а фактор добротности в нем уменьшается почти в 10 раз (Жарков и др., 1974). Отмеченная аномалия настолько отчётливо проявляется, что авторы упомянутой работы даже предложили называть слой D’’ нижней мантии второй астеносферой Земли. С точки зрения рассматриваемого механизма дифференциации земного вещества сравнение нижнего слоя мантии с астеносферой вполне оправдано, так как в зоне выделения жидкой фазы (эвтектического расплава Fe×FeO) естественно ожидать и резкого снижения эффективной вязкости вещества. Более того, по динамическим особенностям отражённых сейсмических волн от поверхности ядра (Берзон и др., 1968; Берзон, Пасечник, 1972) был выделен сравнительно тонкий пограничный слой толщиной всего около 20 км, названный нами слоем Берзон, в котором механическая жёсткость вещества нижней мантии с глубиной последовательно уменьшается практически до нуля. Приведённый факт свидетельствует, что мантийное вещество в этом слое постепенно приобретает свойства маловязкой жидкости, причём без плавления силикатов.
Рассмотрим теперь, как за счёт диффузии меняется со временем концентрация тяжёлой фракции (окислов железа) в кристаллах силикатов. Проследим для этого за одним из силикатных кристаллов, опускающихся вместе с нисходящим конвективным потоком из верхней мантии в нижнюю к поверхности ядра. После пересечения критического уровня с внутренней стороны граней кристаллов концентрация окиси железа FeO начнёт уменьшаться и в каждый момент времени будет определяться значением предельной концентрации насыщенного раствора окиси железа в силикатах при существующих в нижней мантии давлениях и температурах. В процессе опускания кристалла через нижнюю мантию, т.е. за время порядка десятков миллионов лет, изменения концентрации окислов железа могут распространяться в глубь кристаллической решётки лишь на очень небольшие расстояния. Объясняется это тем, что коэффициенты диффузии в силикатах при давлениях, превышающих мегабар, и температурах значительно более низких, чем температура плавления силикатов, должны быть очень маленькими, по-видимому, порядка 1021-1022 см2/с.
По мере приближения мантийного вещества в нисходящем конвективном потоке к поверхности земного ядра, доля окислов железа, диффундировавших из кристаллов и зёрен силикатов в межгранулярные пространства, все увеличивается. При этом жидкое состояние внешнего ядра говорит о том, что и в межгранулярных пространствах «ядерное» вещество, т.е. Fe2O, также должно находиться в расплавленном виде. Следовательно, жёсткие связи, действующие между кристаллами силикатов в низах мантии, с приближением к ядру постепенно ослабевают. С этим явлением и связано резкое уменьшение сейсмической добротности мантийного вещества в слое D’’ и особенно в слое Берзон. Как только вблизи земного ядра отдельные выделения расплавленной окиси железа Fe2O сливаются между собой в единую систему связанных друг с другом жидких плёнок и включений, обволакивающих отдельные кристаллы и зерна силикатов, начинается дезинтеграция мантийного вещества.
Очевидно, что под нисходящими конвективными потоками, т.е. под более тяжёлыми участками мантии, обязательно должны возникать мантийные выступы, вдавленные в вещество ядра, а под восходящими потоками, наоборот, должны наблюдаться подъёмы поверхности ядра, как это изображено на рис 35. В середине 80-х годов (Morelli, Dziewonski, 1987) путём сейсмической томографии ядра были получены доказательства реальности этого вывода: такие неровности на границе мантия-ядро действительно существуют и перепады рельефа в них достигают ±6 км (см. рис. 10).
Крупные неровности на подошве нижней мантии и большие перепады плотности между «ядерным» и мантийным веществом (около 4 г/см3) должны приводить к появлению в корнях нисходящих мантийных потоков значительных растягивающих напряжений, достигающих, по нашим оценкам, порядка 10 кбар (Сорохтин, 1974). Благодаря таким напряжениям на подошве мантии под нисходящими потоками и происходит окончательный распад поликристаллического мантийного вещества на отдельные кристаллы и гранулы, взвешенные в расплаве Fe×FeO (Fe2O), с образованием агрегатного состояния, напоминающего собой «магматическую кашу». При этом выделившаяся ранее из кристаллов мантийного вещества окись одновалентной фазы железа («ядерное» вещество) переходит в земное ядро, обеспечивая постепенный рост его массы. Этим явлением, по-видимому, следует объяснять и происходящую в пограничном слое Берзон постепенную потерю жёсткости мантийным веществом с его переходом на поверхности земного ядра в эффективно-жидкое состояние (Берзон и др., 1968; Берзон, Пасечник, 1972). Важно ещё раз отметить, что описанные здесь процессы выделения из мантии «ядерного» вещества развиваются без плавления силикатов.
Растекание распавшегося мантийного вещества из-под корней нисходящих потоков в стороны восходящих конвективных потоков, казалось бы, должно было приводить к выравниванию рельефа земного ядра. Однако такое выравнивание рельефа в условиях конвектирующей мантии постоянно компенсируется опусканиями на эти уровни все новых и новых порций свежего мантийного вещества и подъёмом уже прошедшего дифференциацию вещества в областях развития восходящих потоков. В результате на границе между мантией и ядром устанавливается некоторое равновесное движение дезинтегрированного мантийного вещества, связывающее мантийные конвективные потоки в единые замкнутые ячейки.
В восходящих конвективных потоках мантийного вещества развиваются процессы, противоположные описанным выше. Под влиянием всесторонних давлений из всплывающей массы вещества постепенно отжимается в ядро большая часть расплавленной окиси железа. При этом силикатные кристаллы и зерна благодаря развивающимся в них пластическим деформациям и процессам межгранулярной диффузии вновь постепенно спаиваются между собой в «сплошную» среду. Однако в составе силикатов, прошедших дифференциацию, уже меньше содержится окислов железа, чем в исходном мантийном веществе. Поэтому средняя плотность мантийного вещества в восходящих мантийных потоках всегда оказывается заметно меньшей, чем в нисходящих потоках. Возникающая за счёт этого в гравитационном поле Земли подъёмная (архимедова) сила приводит в конечном итоге в движение конвективный массообмен в мантии.
Диффузия окислов железа в веществе восходящих потоков будет теперь развиваться в обратном направлении — из межгранулярных пространств в кристаллы силикатов. Одновременно с этим в кристаллах возрастает отношение Fe2O3/FeO, с образованием молекул магнетита Fe3O4 и зонального распределения окислов железа в самих кристаллах.
Как было показано в разделе 2.9, вязкость «ядерного» вещества сравнительно низкая (п меньше 0,4 П). По оценке Р. Ганса (Gans, 1972), динамическая вязкость вещества во внешнем ядре вряд ли превышает 0,1-0,01 П. При такой низкой вязкости и больших перепадах плотности между «ядерным» веществом и взвешенными в нем кристаллами и зёрнами силикатов текущие по поверхности ядра потоки распавшегося на гранулы мантийного вещества могут быть стремительными и относительно узкими. В связи же с большими перепадами поверхностного рельефа ядра такие потоки должны вызывать сильную эрозию нижней поверхности мантии (её подошвы). В результате этого текущие под подошвой мантии потоки смеси дезинтегрированного мантийного и «ядерного» вещества должны разбиваться на отдельные струи, подобно рекам текущим «наоборот», снизу вверх. В этом случае скорость таких струйных течений может достигать метров в секунду.
При столь высоких скоростях на эти струйные течения, очевидно, будет действовать Кориолисово ускорение, отклоняющее их к экваториальной плоскости, а движение захваченного ими электропроводящего «ядерного» вещества приведёт к появлению мощнейших электрических токов и магнитных полей. Поэтому весьма вероятно, что геомагнитное поле Земли обязано своим происхождением именно таким струйным течениям на поверхности земного ядра, замыкающим конвективный массообмен в мантии. Такой связью геомагнитного поля с конвективными движениями в мантии можно объяснить существующую зависимость частоты перемагничивания поля с тектонической периодизацией истории Земли. Кроме того, только этот механизм позволяет совместить энергетическую модель развития Земли с существованием геомагнитного поля. Действительно, в этой модели разогрев земного ядра всегда происходит только с его поверхности. Следовательно, распределение температуры в ядре должно быть ниже адиабатического, а это значит, что в ядре существует устойчивая стратификация, препятствующая возникновению в нем конвективных течений, с которыми обычно и связывают происхождение магнитного поля Земли в наиболее популярных гипотезах геомагнитного динамо.
Именно это заставило предположить, что в настоящее время выделение окислов железа из силикатов мантии происходит благодаря распаду твёрдых растворов под влиянием высоких давлений и диффузии окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства мантийного вещества (Монин, Сорохтин, 1981). Такое предположение основано на принципе Ле-Шателье и экспериментально установленном явлении распада твёрдых растворов под влиянием высоких давлений в тех случаях, когда мольный объем этих растворов превышает сумму мольных объёмов входящих в него компонент, т. е. когда растворение данного компонента приводит к увеличению относительного объёма раствора. Распад растворов происходит благодаря снижению под влиянием давления растворимости компонентов в рассматриваемом растворе.
Эксперименты с реальными твёрдыми растворами показали, что их распад неплохо описывается теоретическими выражениями. Это даёт нам право использовать теорию распада твёрдых растворов для описания процесса выделения окислов железа из силикатов мантии. К сожалению, нам не известна по экспериментальным данным величина объёмного эффекта смешения окислов железа с силикатами при высоких и сверхвысоких давлениях. Однако можно ожидать, что после первого электронно-фазового перехода в железе стереометрия его окиси Fe2O будет резко отличаться от строения других силикатообразующих окислов. По данным же экспериментов смесимость компонентов с разной кристаллической структурой при повышении давления резко падает. Это позволяет предположить, что твёрдые силикатные растворы, содержащие окись железа, при давлениях, превышающих уровень первого электронно-фазового перехода в железе (около 130 кбар), могут распадаться.
Однако для выделения окислов железа из вещества мантии ещё недостаточно самого процесса распада силикатов, так как необходимо ещё вывести эти окислы железа за пределы кристаллической решётки силикатов в межгранулярные пространства. Механизм такого вывода окислов железа из кристаллов и зёрен силикатов, очевидно, может быть связан только с диффузией. Но обычно термическая диффузия приводит к гомогенизации вещества, здесь же должна наблюдаться прямо противоположная картина концентрации окислов железа в межгранулярных пространствах и плёнках. Такая ситуация может возникать только в одном случае, если на пути диффундирующих атомов существуют энергетические барьеры, позволяющие им перемещаться в одном направлении и затрудняющие возвратные движения.
Такие естественные энергетические барьеры возникают на гранях кристаллов и отдельных зёрен. Действительно, при диффузии из кристалла некоторого объёма окислов железа выделяется энергия, пропорциональная возникшему уменьшению суммарного объёма вещества при данном давлении. Очевидно также, что для обратной диффузии окислов железа в кристалл теперь уже придётся произвести дополнительную работу, направленную на преодоление давления и расширения вещества на ту же величину объёма. Благодаря этому явлению окислы железа, диффундировавшие из кристаллов и зёрен силикатов, при высоких давлениях, господствующих в нижней мантии, уже не могут вернуться обратно и должны постепенно накапливаться в межгранулярных пространствах и межкристаллических плёнках.
При рассмотрении процессов диффузии, естественно, необходимо помнить, что в действительности по вакансиям и дефектам кристаллической решётки перемещаются только атомы, а не их соединения. Поэтому было бы корректнее отдельно говорить о диффузии железа и кислорода с их парциальными коэффициентами диффузии. Несовпадение значений этих коэффициентов приводит к разной скорости перемещения атомов и как следствие этого к нарушению стехиометрических составов в равновесных соединениях диффундирующих элементов. Однако нарушение стехиометрических отношений, в свою очередь, вызывает появление и возрастание химических потенциалов в пограничных слоях, разделяющих разошедшиеся атомы. В результате добавления новой энергии скорости диффузии железа и кислорода должны выравниваться в соответствии с составом устойчивого при данных условиях соединения или эвтектического расплава.
Под влиянием высоких давлений, превышающих давление первого электроннофазового перехода, у железа резко меняются его физические и химические свойства. Действительно, после такого перехода у атомов железа, как и у меди, на внешней s-оболочке остаётся только по одному электрону. Но эндогенных силикатов меди не существует, поэтому можно ожидать, что и силикаты железа в нижней мантии становятся неустойчивыми и должна распадаться. В этих условиях устойчивой формой соединения железа, как мы уже отмечали в разделе 2.6, по-видимому, является эвтектический расплав Fe×FeO, эквивалентный окиси одновалентной фазы железа (Сорохтин, 1971). Можно предположить также, что реакция распада двухвалентной окиси железа 2FeO — Fe2O + O будет происходить на гранях кристаллов благодаря диффузии атомов железа и кислорода из железистых силикатов. С другой стороны, эта же реакция будет контролировать и значения коэффициентов диффузии железа и кислорода таким образом, чтобы за гранями кристаллов (в межгранулярных пространствах) возникало устойчивое соединение Fe×FeO (или Fe2O).
Учитывая приведённые соображения, здесь и в дальнейшем мы будем говорить о диффузии окислов лишь условно, для упрощения изложения, имея в виду их эффективную диффузию и помня, что физически в твёрдых средах могут диффундировать только атомы. В связи с тем что рассматриваемый процесс дифференциации земного вещества определяется как давлением, так и вызванной этим давлением диффузией атомов в кристаллах силикатов, сам процесс дифференциации по такому механизму мы будем называть бародиффузионным.
Из теории следует, что предельная концентрация компонента, увеличивающего относительный объем раствора, с увеличением давления только уменьшается по экспоненциальному закону. При этом, процесс разделения фракций может развиваться только в том случае, когда исходная концентрация компонента превышает его предельную концентрацию для данных значений давления и температуры (рис. 34).
Рисунок 34. Зависимость от давления предельной концентрации насыщения твёрдых растворов окислов железа в силикатах мантии.
Область развития бародиффузии окислов железа из силикатов мантии показана крапом.
Для окиси железа, входящей, например, в оливин, до давления 130 кбар в присутствии MgO наблюдается полная смесимость окислов с кремнезёмом вплоть до стехиометрического отношения в фаялите (Fe2SiO4). Поэтому предельную концентрацию двухвалентной окиси в силикатах при низких давлениях можно принять приблизительно равной 0,706, или в пересчёте на «ядерное» вещество Fe2O ~ 0,628. Современная средняя концентрация окислов железа в мантии в пересчёте на FeO = 0,083 (см. табл. 1), а в пересчёте на «ядерное» вещество C(Fe2O) ~ 0,074. Поэтому при низких давлениях никакой дифференциации окислов железа происходить не может.
| Окислы | Состав континентальной коры(1) | Модельный состав мантии Земли(2) | Модельный состав ядра Земли | Состав первичного вещества Земли (расчёт) | Средний состав хондритов(3) | Средний состав углистых хондритов(4) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO2 | 59,3 | 45,5 | — | 30,78 | 38,04 | 33,0 |
| TiO2 | 0,7 | 0,6 | — | 0,41 | 0,11 | 0,11 |
| Al2O3 | 15,0 | 3,67 | — | 2,52 | 2,50 | 2,53 |
| Fe2O3 | 2,4 | 4,15 | — | — | — | — |
| FeO | 5,6 | 4,37 | 49,34 | 22,76 | 12,45 | 22,0 |
| MnO | 0,1 | 0,13 | — | 0,09 | 0,25 | 0,24 |
| MgO | 4,9 | 38,35 | — | 25,77 | 23,84 | 23,0 |
| CaO | 7,2 | 2,28 | — | 1,56 | 1,95 | 2,32 |
| Na2O | 2,5 | 0,43 | — | 0,3 | 0,95 | 0,72 |
| K2O | 2,1 | 0,012 | — | 0,016 | 0,17 | — |
| Cr2O3 | — | 0,41 | — | 0,28 | 0,36 | 0,49 |
| P2O5 | 0,2 | — | — | — | — | 0,38 |
| NiO | — | 0,1 | — | 0,07 | — | — |
| FeS | — | — | 6,69 | 2,17 | 5,76 | 13,6 |
| Fe | — | — | 43,41 | 13,1 | 11,76 | — |
| Ni | — | — | 0,56 | 0,18 | 1,34 | — |
| Сумма | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 99,48 | 98,39 |
Учитывая, что предельная концентрация насыщения силикатов окислами железа с давлением быстро уменьшается по экспоненциальному закону, можно ожидать, что в нижней мантии существует такой уровень, глубже которого начинает выполняться условие распада твёрдых растворов. Мы предположили, что в настоящее время этот уровень совпадает с глубиной перегиба кривой функции механической добротности мантии на глубине около 2 000 км (см. рис. 20), которой соответствует давление 0,89 Мбар и температура около 2 730 К. Тогда можно ожидать, что на этом уровне предельная концентрация «ядерного» вещества в растворе силикатов равна 0,074, откуда удаётся определить, что на поверхности земного ядра (при давлении 1,38 Мбар и температуре 3 130 К) значение предельной концентрации насыщения этим веществом силикатов мантии приблизительно равно C(Fe2O) ~ 0,027. Следовательно, глубже 2 000 км концентрация окислов железа (в пересчёте на Fe×FeO) в мантийном веществе всегда оказывается выше их предельной концентрации в силикатных растворах, как это показано на рис. 33. Отсюда следует, что выделение окислов железа из мантийного вещества, т.е. химико-плотностная дифференциация мантии, сейчас развивается только на глубинах от 2 000 км до поверхности ядра (2 886 км). В будущем по мере уменьшения концентрации окислов железа в мантии (за счёт их перехода в ядро) диапазон глубин, в которых происходит дифференциация мантийного вещества, будет только сокращаться.
Рисунок 20. Распределение фактора сдвиговой добротности Qμ в мантии Земли:
1 — модель Дорофеева-Жаркова (1978); 2 — модель Андерсона-Харта (Anderson, Hart, 1978); 3 — принятая модель.
Рисунок 33. Изменения интенсивности магнитного поля Земли по палеомагнитным данным (Hale, 1987).
Горизонтальными и вертикальными линиями показаны доверительные интервалы измерений; кружком с крестиком отмечена интенсивность современного геомагнитного поля.
Бародиффузионная сепарация «ядерного» вещества от силикатов сопровождается выделением заметной энергии. Согласно нашим оценкам, на глубине 2 000 км эта энергия равна 102 кал на каждый грамм выделившейся окиси Fe2O. На подошве нижней мантии эта энергия увеличивается до 151,6 кал/г. Всего же за время жизни Земли таким путём выделилось примерно 1,3×1037 эрг, или около 6,5% общей энергии гравитационной дифференциации Земли. Попутно отметим, что большая часть этой энергии ушла на упругое сжатие вещества.
Приведённые здесь оценки эффектов уплотнения среды при бародиффузионной дифференциации мантийного вещества были опубликованы ещё в 1981 г. (Монин, Сорохтин, 1981). Несколько позже появилась экспериментальная работа У. Отани, А. Рингвуда и В. Хабберсона (Ohtani et al., 1984), показывающая, что под влиянием высоких давлений происходит образование эвтектических сплавов железа с его окисью Fex×Fex-1, также сопровождающихся возникновением сильных эффектов уплотнения. Полученные результаты показывают, что формирование состава «ядерного» вещества с большим объёмным эффектом, возникающим под влиянием высоких давлений, должно идти по линии образования эвтектического сплава Fex×Fex-1 с наименьшим мольным объёмом.
Предположение о том, что дифференциация мантийного вещества развивается только в нижней мантии, косвенно подтверждается и некоторыми геофизическими данными. Так, на глубинах от 1800-2000 до 2900 км заметно возрастает затухание сейсмических колебаний, а фактор добротности Qц для продольных волн, как это видно из рис. 20, на этом интервале глубин падает приблизительно от 500 до 115 вблизи поверхности ядра (Teng, 1968). Выделяется нижний слой мантии D’’ и по затуханию собственных колебаний Земли, а фактор добротности в нем уменьшается почти в 10 раз (Жарков и др., 1974). Отмеченная аномалия настолько отчётливо проявляется, что авторы упомянутой работы даже предложили называть слой D’’ нижней мантии второй астеносферой Земли. С точки зрения рассматриваемого механизма дифференциации земного вещества сравнение нижнего слоя мантии с астеносферой вполне оправдано, так как в зоне выделения жидкой фазы (эвтектического расплава Fe×FeO) естественно ожидать и резкого снижения эффективной вязкости вещества. Более того, по динамическим особенностям отражённых сейсмических волн от поверхности ядра (Берзон и др., 1968; Берзон, Пасечник, 1972) был выделен сравнительно тонкий пограничный слой толщиной всего около 20 км, названный нами слоем Берзон, в котором механическая жёсткость вещества нижней мантии с глубиной последовательно уменьшается практически до нуля. Приведённый факт свидетельствует, что мантийное вещество в этом слое постепенно приобретает свойства маловязкой жидкости, причём без плавления силикатов.
Рассмотрим теперь, как за счёт диффузии меняется со временем концентрация тяжёлой фракции (окислов железа) в кристаллах силикатов. Проследим для этого за одним из силикатных кристаллов, опускающихся вместе с нисходящим конвективным потоком из верхней мантии в нижнюю к поверхности ядра. После пересечения критического уровня с внутренней стороны граней кристаллов концентрация окиси железа FeO начнёт уменьшаться и в каждый момент времени будет определяться значением предельной концентрации насыщенного раствора окиси железа в силикатах при существующих в нижней мантии давлениях и температурах. В процессе опускания кристалла через нижнюю мантию, т.е. за время порядка десятков миллионов лет, изменения концентрации окислов железа могут распространяться в глубь кристаллической решётки лишь на очень небольшие расстояния. Объясняется это тем, что коэффициенты диффузии в силикатах при давлениях, превышающих мегабар, и температурах значительно более низких, чем температура плавления силикатов, должны быть очень маленькими, по-видимому, порядка 1021-1022 см2/с.
По мере приближения мантийного вещества в нисходящем конвективном потоке к поверхности земного ядра, доля окислов железа, диффундировавших из кристаллов и зёрен силикатов в межгранулярные пространства, все увеличивается. При этом жидкое состояние внешнего ядра говорит о том, что и в межгранулярных пространствах «ядерное» вещество, т.е. Fe2O, также должно находиться в расплавленном виде. Следовательно, жёсткие связи, действующие между кристаллами силикатов в низах мантии, с приближением к ядру постепенно ослабевают. С этим явлением и связано резкое уменьшение сейсмической добротности мантийного вещества в слое D’’ и особенно в слое Берзон. Как только вблизи земного ядра отдельные выделения расплавленной окиси железа Fe2O сливаются между собой в единую систему связанных друг с другом жидких плёнок и включений, обволакивающих отдельные кристаллы и зерна силикатов, начинается дезинтеграция мантийного вещества.
Очевидно, что под нисходящими конвективными потоками, т.е. под более тяжёлыми участками мантии, обязательно должны возникать мантийные выступы, вдавленные в вещество ядра, а под восходящими потоками, наоборот, должны наблюдаться подъёмы поверхности ядра, как это изображено на рис 35. В середине 80-х годов (Morelli, Dziewonski, 1987) путём сейсмической томографии ядра были получены доказательства реальности этого вывода: такие неровности на границе мантия-ядро действительно существуют и перепады рельефа в них достигают ±6 км (см. рис. 10).
Рисунок 10. Распределение плотности в мантии Земли по разным моделям:
1 — модель Наймарка-Сорохтина (1977а); 2 — модель Буллена А1 (1966); 3 — модель Жаркова «Земля-2» (Жарков и др., 1971); 4 — пересчёт данных Панькова и Калинина (1975) на состав лерцолитов при адиабатическом распределении температуры.
Рисунок 35. Схема конвективных течений вблизи границы мантия-ядро и формирование восходящих потоков в мантии (Сорохтин, 1979)
Крупные неровности на подошве нижней мантии и большие перепады плотности между «ядерным» и мантийным веществом (около 4 г/см3) должны приводить к появлению в корнях нисходящих мантийных потоков значительных растягивающих напряжений, достигающих, по нашим оценкам, порядка 10 кбар (Сорохтин, 1974). Благодаря таким напряжениям на подошве мантии под нисходящими потоками и происходит окончательный распад поликристаллического мантийного вещества на отдельные кристаллы и гранулы, взвешенные в расплаве Fe×FeO (Fe2O), с образованием агрегатного состояния, напоминающего собой «магматическую кашу». При этом выделившаяся ранее из кристаллов мантийного вещества окись одновалентной фазы железа («ядерное» вещество) переходит в земное ядро, обеспечивая постепенный рост его массы. Этим явлением, по-видимому, следует объяснять и происходящую в пограничном слое Берзон постепенную потерю жёсткости мантийным веществом с его переходом на поверхности земного ядра в эффективно-жидкое состояние (Берзон и др., 1968; Берзон, Пасечник, 1972). Важно ещё раз отметить, что описанные здесь процессы выделения из мантии «ядерного» вещества развиваются без плавления силикатов.
Растекание распавшегося мантийного вещества из-под корней нисходящих потоков в стороны восходящих конвективных потоков, казалось бы, должно было приводить к выравниванию рельефа земного ядра. Однако такое выравнивание рельефа в условиях конвектирующей мантии постоянно компенсируется опусканиями на эти уровни все новых и новых порций свежего мантийного вещества и подъёмом уже прошедшего дифференциацию вещества в областях развития восходящих потоков. В результате на границе между мантией и ядром устанавливается некоторое равновесное движение дезинтегрированного мантийного вещества, связывающее мантийные конвективные потоки в единые замкнутые ячейки.
В восходящих конвективных потоках мантийного вещества развиваются процессы, противоположные описанным выше. Под влиянием всесторонних давлений из всплывающей массы вещества постепенно отжимается в ядро большая часть расплавленной окиси железа. При этом силикатные кристаллы и зерна благодаря развивающимся в них пластическим деформациям и процессам межгранулярной диффузии вновь постепенно спаиваются между собой в «сплошную» среду. Однако в составе силикатов, прошедших дифференциацию, уже меньше содержится окислов железа, чем в исходном мантийном веществе. Поэтому средняя плотность мантийного вещества в восходящих мантийных потоках всегда оказывается заметно меньшей, чем в нисходящих потоках. Возникающая за счёт этого в гравитационном поле Земли подъёмная (архимедова) сила приводит в конечном итоге в движение конвективный массообмен в мантии.
Диффузия окислов железа в веществе восходящих потоков будет теперь развиваться в обратном направлении — из межгранулярных пространств в кристаллы силикатов. Одновременно с этим в кристаллах возрастает отношение Fe2O3/FeO, с образованием молекул магнетита Fe3O4 и зонального распределения окислов железа в самих кристаллах.
Как было показано в разделе 2.9, вязкость «ядерного» вещества сравнительно низкая (п меньше 0,4 П). По оценке Р. Ганса (Gans, 1972), динамическая вязкость вещества во внешнем ядре вряд ли превышает 0,1-0,01 П. При такой низкой вязкости и больших перепадах плотности между «ядерным» веществом и взвешенными в нем кристаллами и зёрнами силикатов текущие по поверхности ядра потоки распавшегося на гранулы мантийного вещества могут быть стремительными и относительно узкими. В связи же с большими перепадами поверхностного рельефа ядра такие потоки должны вызывать сильную эрозию нижней поверхности мантии (её подошвы). В результате этого текущие под подошвой мантии потоки смеси дезинтегрированного мантийного и «ядерного» вещества должны разбиваться на отдельные струи, подобно рекам текущим «наоборот», снизу вверх. В этом случае скорость таких струйных течений может достигать метров в секунду.
При столь высоких скоростях на эти струйные течения, очевидно, будет действовать Кориолисово ускорение, отклоняющее их к экваториальной плоскости, а движение захваченного ими электропроводящего «ядерного» вещества приведёт к появлению мощнейших электрических токов и магнитных полей. Поэтому весьма вероятно, что геомагнитное поле Земли обязано своим происхождением именно таким струйным течениям на поверхности земного ядра, замыкающим конвективный массообмен в мантии. Такой связью геомагнитного поля с конвективными движениями в мантии можно объяснить существующую зависимость частоты перемагничивания поля с тектонической периодизацией истории Земли. Кроме того, только этот механизм позволяет совместить энергетическую модель развития Земли с существованием геомагнитного поля. Действительно, в этой модели разогрев земного ядра всегда происходит только с его поверхности. Следовательно, распределение температуры в ядре должно быть ниже адиабатического, а это значит, что в ядре существует устойчивая стратификация, препятствующая возникновению в нем конвективных течений, с которыми обычно и связывают происхождение магнитного поля Земли в наиболее популярных гипотезах геомагнитного динамо.