4.Эндогенные процессы в разрезе земли

Главными планетарными процессами, направляющими ход эволюции Земли, являются генерация глубинной тепловой энергиии и обусловленные ею химико-плотностная и магматическая дифференциации вещества в гравитационном поле. Итогом этих процессов явилось обособление в разрезе Земли железо-никелевого ядра, магнезиально-силикатной мантии (сима) и алюмосиликатной земной коры (сиаль). В ходе дифференециации возникли гидросфера и атмосфера. Причиной расслоенности Земли на оболочки, в конечном счете, являются два главных процесса:плавление вещества Земли и фазовые преобразования минералов,слагающих ее разрез.

Прежде чем говорить о физическом состоянии вещества Земли ,необходимо иметь представление главных факторах физического состояния вещества Земли на разных глубинах ее разреза.К ним адиабатические условия (сочетание температуры и давления в конкретной точке разреза Земли) и изменение солидуса минералов и их смесей в зависимости от изменения адиабатических условий

Солидус - температура, ниже которой могут существовать только твердые фазы. Часто употребляемое значение солидуса пород - в действительности понятие собирательное и состоит из солидусов конкретных минералов в составе плавящихся пород. Этим объясняется частичное плавление пород астеносферной мантии, а также в земной коре. Различные сочетания высокотемпературных и низкотемпературных минералов в исходных породах могут превращать магму в «кашу», в расплаве которой присутствуют также тугоплавкие минералы.

Ликвидус – температура, выше которой может существовать только жидкая фаза. Понятие ликвидуса также собирательное и зависит от состава магмы. По мере снижения температуры происходит последовательная кристаллизация минералов, что сопровождается изменением состава магматического расплава.

Рис.4.1. Диаграмма солидуса-ликвидуса – граничных условий между расплавом (магмой) и выпавших из нее кристаллов в зависимости от температуры.

Соотношение солидуса минералов, их смесей и адиабатических условий предопределяет состояние вещества, возможность его плавления, перехода в квазипластическое или кристаллическое состояние.

Значение солидуса и ликвидуса меняется в соответствии с изменением адиабатических условий. Например, адиабатические условия объясняют возникновение расплавленной астеносферы в верхней мантии. Повышение температуры в астеносфере до значений солидуса перидотита приводит к его частичному плавлению. В средней и нижней мантии она значительно выше. Однако вещество мантии не плавится, а находится в кристаллическом и твердом состоянии. Причиной этому является повышение давления, ограничивающее возможность плавления. Вместе с тем в переходных слоях между мантией и ядром (Д¹¹), а также во внешнем внутреннем ядре, отличающихся составом вещества, возникают очаги дифференциации, которые дают начало формированию нагретых масс мантии и расплавов железа. Очаги магмагенерации могут возникать и в земной коре, в том числе в зонах разломов, где в результате дробления пород снимается часть давления, а кристаллические породы начинают плавиться. Такой процесс называется декомпрессией.

Рис.4.2.Приближенные кривые плавления минералов, минеральных смесей и магматических пород в различных адиабатических условиях

Адиабатические условия (адиабатическая кривая) отражают термобарические обстановки (Р, Т^оС) в разрезе Земли, в ее ядре,мантии и земной коре. В случае, если солидус выше адиабатической температуры, то породы находятся в кристаллическом состоянии. Повышение температуры выше солидуса знаменует начало возникновения магмы. Обратные соотношения запускают процесс кристаллизации Изменение реологических свойств горных масс (вязкость, текучесть) предопределяется адиабатическими условиями. Поскольку увеличение давления носит линейный характер и меняется с глубиной, изменение реологии пород в большей степени предопределяется температурным режимом недр и составом вещества геосфер. Возникающие термические неоднородности (разуплотнение, уплотнение), фиксируемые сейсмической томографией, создают условия гравитационной неустойчивости мантии, что приводит в итоге к перераспределению вещества, возникновению в мантии конвективных течений.

Плавление вещества Земли обусловливает возникновение различных расплавов,зависящих от исходного состава вещества и термобарических условий на разных уровнях разреза Земли. Главными уровнями подобного процесса являются переходная оболочка (слой Д¹¹), разделяющая ядро и мантию, и астеносфера, где генерируются основные массы расплавов (магмы и флюиды).Очаги магмагенерации формируются также на разных уровнях в земной коре.

Фазовые преобразования являются второй причиной изменения физического состояния твердого вещества Земли,когда различные минералы и породы способны переходить из одной формы в другую в твердом состоянии. Примером могут служить преобразование графита в алмаз,оливина в шпинель,кварца в коэсит и др.Иногда из одного минерала возникает два и более.Важно отметить,что фазовые преобразования минералов развиваются при сохранении валового состава образующих их химических элементов.

Смотри фильм 1»фазовые преобразования графита в алмаз»Ctrl+щелчок

Смотри фильм2»фазовые преобразования полевого шпата»Ctrl+щелчок

. Смотри фильм 3» фазовые переходы в мантии»Ctrl+щелчок

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).