|
Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003-2004 г.
Содержание
1. Значение средней плотности Земли (5.517 г/см-3) в сопоставлении со средней плотностью вещества земной коры (2.6 - 2.7 г/см-3) и момент инерции (0.334 г∙R2) однозначно указывают на расслоение земного вещества по плотности.
2. Рост плотности вещества Земли с глубиной определяется двумя явлениями - сжатием и полиморфизмом под действием давления с переходом к фазам бoльшей плоnности и изменением химического состава. Экстраполяция плотности глубинного вещества к нормальному давлению показывает, что она (кроме вещества верхней мантии) не соответствует ни одному известному в составе земной коры типу пород и предполагает либо глубокий полиморфизм вещества <обычных> пород, либо принципиальное изменение их химического состава; геофизические данные не позволяют решить эту альтернативу.
3. Предположение А. Добрэ об аналогии каменной оболочки (мантии) и ядра Земли силикатной и металлической фазам метеоритов (хондритов) можно считать полностью выдержавшей проверку временем; современные данные о составах этих фаз метеоритов могут служить граничными условиями при оценке состава мантии и ядра Земли.
4. Альтернатива - формирование Земли в результате аккреции недифференцированной <примитивной> твердой фракции протопланетного вещества типа углистых хон-дритов или в результате аккреции уже <готовых> силикатных фаз и металла - решается в пользу последнего; основанием этого предположения является отсутствие химического равновесия между веществом мантии и ядра Земли - существенно более высокие содержания в мантии Земли сидерофильных и халькофильных элементов по сравнению с силикатной фазой обыкновенных хондритов. Таким образом, дифференциация вещества Земли на силикатную фракцию (мантию) и металлическую фракцию (ядро) и распределение по этим типам вещества всех химических элементов предопределено космохимической историей протопланетного вещества и при формировании Земли эти две фазы не переуравновешивались. Такие данные исключают возможность формирования земного ядра в ходе геологической истории Земли в результате отделения металлического железа, рассеянного или образующегося в примитивном веществе Земли с последующей сегрегацией в центре планеты.
5. Экспериментальные данные о плотности Fe, Ni-сплава при давлениях, отвечающих земному ядру, показывают, что для корректного согласия с геофизическими данными необходимо предположить вхождение в состав ядра некоторого количества легких элементов; наиболее вероятными кандидатами являются распространенные в составе Земли элементы - сера и кислород; данные о растворимости этих элементов в расплаве металла не противоречат такому предположению.
6. Физические свойства мантии Земли непротиворечиво интерпретируются на основании экспериментальных данных о полиморфизме и физических свойствах породообразующих силикатов и не вступают в противоречие с космохимическими данными о составе силикатной фракции хондритов, подтверждая допустимость такой аналогии.
7. Распространенность химических элементов в верхней мантии Земли, оцениваемая на основании данных о их распространенности в примитивном веществе Солнечной системы с поправкой, учитывающей химический и изотопный состав магматических пород мантийного происхождения (базальтов разных формационных типов), свидетельствует о невозможности прямого использования какого-либо известного вещества хондритов в качестве конкретной модели состава Земли. Очевидно, что вещество Земли, родительских тел различных типов метеоритов, других планет земной группы претерпело дифференциацию на протопланетной стадии эволюции Солнечной системы, что привело к разной степени фракционирования. Очевидными механизмами этого фракционирования были процессы разделения химических элементов в зависимости от их летучести (распределение между твердой и газовой фазой) и окислительно-восстановительным свойствам и сродством к сере (распределение между силикатной, сульфидной и металлической фазам). Наблюдаемый состав мантии Земли (пониженная распространенность летучих элементов, существенное обеднение сидерофильными и халькофильным элементами) свидетельствует о том, что главным компонентом ее протовещества является вещество типа силикатной фракции обыкновенных хондритов, к которому должна быть добавлена некоторая доля примитивного вещества типа углистых хондритов, не потерявшего основную массу сидерофильных и халькофильных элементов.
8. Изотопные данные заставляют предполагать, что геохимическая гетерогенность верхней мантии (силикатной фракции) Земли не является наследием протопланетного вещества, а возникла в ходе геологической истории. Единственным допустимым с физико-химической точки зрения механизмом такой дифференциации может быть фракционирование химических элементов в процессах плавления и перераспределения в гравитационном поле Земли остаточных твердых и жидкой фаз.
9. Распределение химических элементов между веществом мантии и земной коры свидетельствует о накоплении в земной коре <легкоплавких> элементов и является обоснованием идеи А.П. Виноградова о выплавлении вещества земной коры из мантии. Очевидный геологический процесс, в котором реализуется принцип выплавления - мантийный магматизм. Геологические данные показывают, что процесс выплавления и формирования земной коры идет в течение всей геологической истории.
10. Малая масса гидросферы и атмосферы Земли, их состав (вода, азот, углекислота, аргон) и ничтожная распространенность тяжелых благородных газов являются геохими-ческим доказательством формирования этих оболочек в результате выделения на поверх-ность планеты в ходе дегазации химически связанных или сорбированных летучих элементов, захваченных в небольшом количестве твердой фракцией протопланетного вещества и вовлеченных в аккрецию. Ход дегазации глубинного вещества Земли во времени остается неясным.
11. Таким образом, из рассмотренного материала можно прийти к следующим заключениям:
- в состав Земли при ее формировании в ходе аккреции твердой компоненты протопланетного облака должна была войти силикатная фаза типа силикатной фазы хондритов (с некоторой добавкой примитивного материала) и металлическая фаза типа Fe, Ni-сплава хондритов или железных метеоритов; сильно летучие компоненты, находящиеся в протопланетном облаке в составе газовой фазы и льдов, в состав Земли в существенных количествах вовлечены не были;
- геохимическая направленность дифференциации Земли на силикатную оболочку и металлическое ядро задана разделением химических элементов в ходе формирования минерального (фазового) состава протопланетного вещества - образования металлической фазы, концентрирующей сидерофильные элементы, и силикатной фазы, резко обедненной сидерофильными элементами и концентрирующей в своем составе литофильные элементы; роль сульфидной фазы в составе планетного вещества второстепенна (ее содержание не высоко), но в земной истории халькофильных элементов она оказывается определяющей; в ходе геологической истории Земли силикатная фракция, с одной стороны, и металлическая и сульфидная фазы - с другой, не вовлекались в глубокое взаимодействие и оставались геохимически независимыми;
- единственным механизмом, способным объяснить фракционирование химических элементов в ходе расслоения силикатной оболочки Земли (мантии) на современную мантию, земную кору, гидросферу и атмосферу, является плавление и разделение в пространстве Земли расплавов и остаточных твердых фаз, сопровождающееся отделением газовой фазы; химический состав остаточного вещества мантии, вещества земной коры, гидросферы и атмосферы контролируется законами распределения химических элементов между твердой, жидкой и газовой фазами; следует подчеркнуть, что это распределение химических элементов не имеет никакого отношения к гравитационным свойствам (плотностям) элементов и их соединений.
| Табл. 18. Масса Земли, ее ядра и оболочек
Табл. 19. Полиморфизм главнейших фаз земного вещества
Табл. 20. Распространенность элементов в примитивной мантии Земли ( McDonough , Sun , 1995) |
  
Рис. 17. Распределение скоростей сейсмических волн (Vp, Vs), давления (Р) и плотности (?) с глубиной согласно стандартной геофизической модели Земли |
 
Рис. 18. Соотношения распространенности химических элементов (число атомов на 106 атомов Si) в примитивной мантии Земли (nPM) (McDonough, Sun, 1995) и в углистых (CI) хондритах (nCI) (Anders, Grevesse, 1989) |
Рис. 19. Распространенность химических элементов (ni / 106 Si) в H-, L-, LL-хондритах (Wasson, Kallemeyn, 1988) и примитивной мантии Земли (McDonough, Sun, 1995), нормированная по CI-хондритам (символами отмечены наиболее характерные элементы) |
 
Рис. 20. Распределение химических элементов в системе хондриты (Х) - дуниты мантии (УО) - базальты (Б) и граниты (Г) коры (Виноградов, 1959) |
Рис. 21. Распространенность (число атомов ni на 106 атомов Si) благородных газов на Солнце (ромбы), в CI-хондритах (треугольники) (Anders, Grevesse, 1989) и на Земле (точки; кружок - распространенность 36Ar). |
1. Оценка распространенности химических элементов в протовеществе Земли и его космохимическая квалификация.
2. Обоснование такой модели аккреции Земли, которая объяснила бы геохимическую изоляцию ядра и мантии в ходе формирования и дальнейшей истории планеты.
3. Решение вопроса о геохимической расслоенности мантии Земли в рамках центрально-симметричного приближения.
4. Выяснение времени и геодинамической обстановки формирования геохимической гетерогенности мантии Земли.
5. Обоснование закономерностей корреляции геохимической гетерогенности современной мантии с геодинамической обстановкой и геофизическими данными, свидетельствующими о современной структуре мантии и движений в ней.
6. Разработка модели формирования геохимической гетерогенности мантии в результате перераспределения химических элементов в ходе частичного плавления при малой доли расплава.
7. Выяснение геодинамических условий геохимической дихотомии процессов формирования земной коры - океанической и континентальной; обоснование представлений о геохимических особенностях мантийного субстрата и условиях магмообразования, контролирующих состав мантийных магматических расплавов, формирующих континентальную и океаническую кору.
<<Назад Содержание Вперед>>
|
