Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Согласно господствующим теориям, Солнечная система начала зарождаться примерно 4,6 млрд лет назад. К этому времени межзвездное вещество состояло из газа, водно-газовых (ледовых) частиц и железо-силикатных частиц, образовавшихся при охлаждении межзвездного газа. Из-за неравномерности движения (турбулентности) в этом межзвездном веществе появлялись участки повышенной плотности - вращающиеся диски, которые и давали начало звездным системам. Таким образом, первичное протосолнечное вещество было "кометным" - именно современные кометы состоят из частиц силикатов в оболочке из газгидратов и льда. Эволюция газопылевых туманностей - аналогов протосолнечной небулы, из которой образовалась Солнечная система, - связывается с необратимым их охлаждением. Наиболее доступно современные представления изложены в книге А.А.Маракушева, рекомендованной в качестве дополнительной литературы к данной главе.

В протосолнечной туманности происходило уплотнение вещества, с образованием планетозималей состоящих из льда с рассеянными частицами железо-силикатных минералов. При этом существовал градиент концентрации водорода: наиболее низкотемпературные планетозимали (в центральной части небулы) образовались при температуре близкой к 0⁰ К, и соответственно, содержали значительное количество водорода, в то время как на периферии (при более высоких температурах) происходила конденсация кометного вещества, обогащенного водяным льдом (температура конденсации 170⁰ К).

Постепенно протосолнечное вещество достигло такой плотности, что началось его гравитационное сжатие с одновременным разогревом вещества. Поскольку основную массу центральных частей протозвездного облака составлял водород и легкие элементы, гравитационное сжатие и разогрев вещества привели к запуску термоядерных реакций синтеза:

₁H¹ + ₆C¹² ₇N¹³ + -излучение ₆C¹³ + e⁺-излучение;

₆C¹³ + ₁H¹ ₇N¹⁴ + -излучение;

₇N¹⁴ + ₁H¹ ₈O¹⁵ + -излучение ₇N¹⁵ + e⁺-излучение;

₇N¹⁵ + ₁H¹ ₆C¹² + ₂He⁴.

В результате произошло уравновешивание гравитационного сжатия и расширения протосолнечного вещества за счет разогрева термоядерной реакцией, и образовалось наше Солнце.

Предполагается, что пылевые частицы состоят из минералов, которые конденсируются из первично разогретого межзвездного газа (остатков Большого взрыва и газовых оболочек массивных звезд, богатых тяжелыми элементами) в порядке, обратном их летучести. В пылевидных частицах преобладают магний, кремний и железо примерно в одинаковых количествах, что определяет их сходство по составу с самыми распространенными метеоритами - хондритами.

Рис. 42 Диаграмма фазовых равновесий форстерита, энстатита или протоэнстатита, расплава, и газовой фазы в системе Mg2SiO4 -SiO2 -H2 применительно к условиям первичной конденсации вещества в межзвездной туманности.

Моделью процессов высокотемпературной конденсации с образованием пылевидных частиц служит экспериментально изученная при температурах 1350-1650^оС в условиях высокого межзвездного вакуума (до 10^-10 бар) система форстерит-энстатит-водород (рис. 42). Капельки силикатного расплава в первичной газовой туманности могут возникать только при температурах выше 1550^оС. В более реальных условиях охлаждения газа, выбрасываемого в межзвездное пространство, температура которого близка к абсолютному нулю, происходит консолидация твердых силикатных частиц непосредственно из газовой фазы в последовательности: газ форстерит + газ энстатит + форстерит + газ. Характерно, что конденсация, как и кристаллизация из расплава, начинается с образования наиболее тугоплавких частиц (в данном случае форстерита).

Конденсация и затвердевание летучих соединений с образованием многослойного конденсата на поверхности каменных пылинок происходит при дальнейшем понижении температуры и ведет к разрастанию ледяной фазы (с вмороженными в нее пылевидными каменными частицами) вплоть до образования сплошных масс кометного по физическому состоянию вещества.

Таким образом, кометы, вероятно, состоят из первозданного материала и отражают условия, имевшие место при возникновении Солнечной системы.

Образование Земли связывают с аккрецией кометоподобной планетозимали и гравитационным сжатием ее вещества. Подъем температуры в ходе этого сжатия сопровождался полным расплавлением вещества и расслаиванием планеты на железокаменное (хондритовое по составу) расплавное ядро и флюидную оболочку (в дальнейшем потерянную под воздействием солнечного ветра). Обособление ядра происходило под большим давлением водородной оболочки, вследствие чего в ядре сосредоточился запас водорода и других флюидных компонентов, определивший магматическую активность, продолжающуюся около 4,6 млрд лет.

Рис. 43. Результаты экспериментального расслоения первичного расплава (слева) под водно-водородным давлением на ряд зон: водородную никель-железную (Fe, Ni, H2), железо-ультраосновную (Mg, Fe, Si), ультраосновную (Mg, Si), переходную (Mg, Si, Al) и основную (Na, K, Si, Al), которые сопоставляются со схемой строения Земли (справа).

Главный петрогенетический процесс, определяющий внутреннее строение Земли, составляет железосиликатное расщепление расплавов, которое выражается в расслаивании хондритового вещества на железное ядро и силикатную оболочку. Моделирование расслаивания проводилось неоднократно. В конце XIX века оно параллелизовалось с доменным процессом. На рис. 43 показаны результаты экспериментов по расслаиванию хондритового вещества под давлением водно-водородной смеси. Образовавшиеся в опыте слои в какой-то мере отвечают делению Земли на земную кору, объединяющуюся с частью верхней мантии в литосферу; верхнюю мантию; нижнюю мантию и железное ядро (в нижней части твердое, а в верхней - жидкое). Богатая железом жидкая фаза под высоким флюидным давлением является концентратором флюидных компонентов (особенно водорода) и сохраняется в жидком состоянии в условиях эксперимента дольше силикатных фаз. При первичном расслаивании запас флюидных компонентов сосредотачивается в ядерной части планеты. Кристаллизация ядра сопровождается возрастанием внутреннего флюидного давления и стимулирует образование восходящих флюидных потоков, магматизма и метаморфизма во внешних силикатных оболочках.

Земная кора имеет толщину в среднем 33 км. Исходя из современного геотермического градиента и средней плотности коры (3,35 г/см³) температура границы Мохо оценивается в 700^оС и давление - 11-12 кбар. Ниже плотность вещества нашей планеты увеличивается до 4.7 (верхняя мантия); 9.4 (нижняя мантия) и 17.3 (ядро). Вещество глубинных зон Земли недоступно для наблюдений, и представления о нем основываются на геофизических исследованиях. Петрографические материалы имеются только для земной коры, а представления о мантии и ядре так же гипотетичны, как космогонические. Высокие давления и температуры, господствующие в недрах Земли, определяют особое состояние вещества. Даже при доступных современным экспериментам давлениях (до 200 килобар) и температурах (до 1500^оС), соответствующих условиям коры и мантии Земли, появляются новые фазы, их необычные ассоциации, непривычны свойства этих фаз; соответственно изменяются законы концентрации и рассеяния элементов. Открываются по существу новые разделы химии и геохимии.

Достижения экспериментальных исследований, касающиеся изменений состояния вещества при высоких параметрах рассмотрим в зависимости от агрегатного состояния - последовательно для кристаллических веществ, расплавов и флюидов.