Лекции по естественной географии .


Петрология литосферы и верхней мантии - нерешенные и спорные вопросы.



      Изучение химического состава глубинных геосфер  невозможно  без  учета
термодинамических условий недр Земли (высоких давлений и  температур)  и  их
влияния на свойства вещества. Не вдаваясь в достаточно сложные детали  этого
принципиального вопроса о составе внутренних оболочек Земли, укажем лишь  на
две господствующие точки зрения.


      Первой была высказана точка зрения о гетерогенном  составе  внутренних
геосфер.  Современные  данные  о  плотности   и   скорости   распространения
сейсмических  волн  допускают  отождествление  вещества  верхней  мантии   с
ультраосновными породами. На основании этих  же  данных  можно  предполагать
преимущественно железо-никелевый  состав  ядра,  верхняя  оболочка  которого
находится в жидком состоянии.


      Позже была высказана идея об однородном  с  точки  зрения  химического
состава строении  Земли.  Наличие  границ  в  Земле  и  различие  физических
свойств геосфер можно объяснить фазовыми  переходами  вещества.  В  условиях
давления, измеряемого сотнями тысяч МПа, и  температуры  в  несколько  тысяч
градусов теоретически возможно разрушение не только кристаллической  решетки
вещества - плавление, но и его электронных оболочек. При этом в  ядре  Земли
вещество переходит в металлическую фазу. Важно  отметить,  что  такая  смена
способа  «упаковки»  частиц  вещества   на   атомарном   уровне,   по   всей
вероятности, происходит скачкообразно, при достижении достаточного  давления
и температуры. Таким образом можно объяснить наличие концентрических  границ
изменения физических свойств вещества Земли  при  относительном  постоянстве
ее химического состава. Сторонники этой  точки  зрения  предполагают  единый
для всей  планеты  силикатный  состав,  а  скачкообразную  смену  физических
свойств  на  границах  геосфер  связывают  с  фазовыми  переходами.   Однако
современные эксперименты  с  ударным  кратковременным  сжатием  силикатов  и
соответствующие   теоретические   расчеты   не   подтверждают    возможности
металлизации силикатов в физических  условиях  ядра  Земли.  Тем  не  менее,
нельзя отвергать возможность перестроек  кристаллических  решеток  минералов
при увеличении давления; примеры минералов одинакового химического  состава,
различающихся по способу «упаковки» и физическим свойствам известны.


      Современные данные допускают в какой-то  степени  правомерность  обеих
точек зрения. И, по-видимому,  можно  предполагать  различное  происхождение
выделяемых сейсмических границ. Вероятнее всего,  в  Земле  имеются  границы
смены как химического состава, так и внутренней структуры вещества.


      Каковы же  основные  данные,  которые  могут  быть  использованы  для
изучения химического состава Земли в целом? К сожалению их немного.


     Во-первых, химический состав земной коры. Однако не следует  забывать,
что земная кора представляет только небольшую  (менее  1%  по  массе)  часть
нашей планеты и  поэтому  состав  Земли  в  основном  определяется  составом
мантии и ядра.


     Во-вторых, геофизические данные - в основном  результаты  сейсмологии.
Однако эти данные  допускают  неоднозначное  истолкование,  т.к.  одинаковые
значения физических свойств - скорости упругих волн или  плотности  -  могут
быть присущи веществам различного химического состава.


     В-третьих,   космологические   данные,   т.е.   результаты    изучения
космических тел, в первую очередь Луны и метеоритов, падающих на Землю.  Эти
данные можно использовать только при предположении  о  близости  химического
состава исходного вещества планет, по крайней мере, земной группы.  Гипотезы
о происхождении Земли допускают сходство химического состава Земли  и  Луны.
Кроме того, можно полагать, что поставщиком значительной  части  метеоритов,
падающих на Землю, является пояс астероидов,  расположенный  между  орбитами
Марса и Юпитера.  Существует  гипотеза  о  том,  что  современные  астероиды
являются обломками десятой планеты Солнечной системы - Фаэтона.  Предполагая
сходство химического  состава  Земли  и  этой  планеты,  можно  использовать
результаты анализа  состава  метеоритов  при  изучении  химического  состава
нашей планеты.


     Метеориты играют значительную роль в жизни Земли. Ежесуточно на  Землю
падает около 3 т метеоритов, не считая  космической  пыли.  Всего  на  Землю
попадает не менее 10 тыс.т метеорно-космического вещества в год. И  в  любом
случае, представляют  ли  метеориты  исходный  «строительный  материал»,  из
которого так и не была сформирована десятая планета, или являются  обломками
планеты Фаэтон, изучение их химического состава позволяет судить  о  составе
материи, достаточно близкой Земле.


     К настоящему  времени  общее  число  найденных  метеоритов  составляет
примерно 2500 шт. Число же обломков метеоритов исчисляется десятками тысяч.


     В  последние  годы  многочисленные  находки   метеоритов   сделаны   в
Антарктиде. Связано это не с повышенной частотой  падения  метеоритов,  а  с
уникальными условиями их сохранения  здесь.  Только  с  1973  по  1983  г.г.
японские  исследователи  Антарктиды  подобрали  4750  фрагментов  метеоритов
(вблизи горы  Ямато  на  Земле  Королевы  Мод).  Размеры  метеоритов  весьма
разнообразны. Метеорит массой 60 т,  названный  Гоба,  найден  в  Африке.  В
Каньоне Дьявола, штат Невада, США  по диаметру метеоритного  кратера  в  1,2
км  и  глубине  в  140  м  определили,  что  масса  взорвавшегося  метеорита
составляла 15 тыс.т.


     По составу метеориты делятся на железные, железо-каменные и каменные.


     Железные метеориты составляют 6% от всех найденных. Они почти  целиком
сложены  железом  (89,7%)  и  никелем  (9,1%)  и  называются   сидеролитами.
Плотность их около 8 г/см3.


     Железл-каменные метеориты составляют лишь 2% найденных. По составу они
делятся на  паласситы  (железо  с  вкраплениями  силикатов)  и  мезосидериты
(примерно равное количество железа и силикатов). Их плотность 5-6 г/см3.


     Наиболее часто находят каменные метеориты, составляющие 92%  от  всего
количества. По  составу  они  делятся  на  хондриты  и  ахондриты.  Хондриты
состоят из овальных каплевидных зерен  (хондр)  силикатов,  сцементированных
железом. Форма зерен свидетельствует  об  остывании  их  в  условиях  весьма
слабого тяготения. Ахондриты по составу близки к  земным  породам  основного
ряда - базальтам и иногда содержат  до  1%  алмазов.  Ахондриты  -  наиболее
распространенная разновидность метеоритов. Существует предположение  о  том,
что они являются продуктами лунного вулканизма,  выбрасывающего  их  в  поле
тяготения Земли. Плотность их около 3,5 г/см3.


     Приведенные данные о составе метеоритов,  падающих  на  Землю,  служат
аргументом в пользу гетерогенного строения планет. Возвращаясь к гипотезе  о
том, что метеориты являются фрагментами разрушенной  планеты  Фаэтон,  можно
установить  связь  планетных  оболочек  с  классом  метеоритов.  По   мнению
А.Н.Заварицкого, ахондриты представляют собой обломки коры планеты,  имевшей
мощность  40-50  км.   Мантия   Фаэтона   характеризовалась   ультраосновным
силикатным составом, о чем свидетельствует состав  хондритов.  Сидеролиты  и
железо-каменные метеориты могли образоваться при разрушении ядра планеты.


     Не вдаваясь в гипотезы существования планеты Фаэтон, следует  указать,
что астероиды (если судить по метеоритам) по плотности и другим  параметрам,
безусловно, близки к планетам земной группы. В этой связи важность  изучения
состава метеоритов очевидна.


     Близость химического состава планет подтверждают также данные изучения
образцов  лунных  пород,  доставленных  советской   станцией   «Луна-16»   и
американскими «Аполлон-11 и 12».


     С учетом состава и свойств метеоритов  и  образцов  с  Луны,  а  также
геофизических  (сейсмологических)  данных  о   внутреннем   строении   Земли
рассчитаны модели химического состава Земли в целом (табл.4)



                           Химический состав Земли


                                                                   Таблица 4


|Химические  |Массовая доля,%                 |          |
|элементы    |по А.Е.Ферсману |по Б.Мейсону  |
|O           |27,71           |29,5          |
|Fe          |39,76           |34,6          |
|Si          |14,53           |15,2          |
|Mg          |8,69            |12,7          |
|S           |0,64            |1,92          |
|Ni          |3,46            |2,38          |
|Ca          |2,32            |1,13          |
|Al          |1,79            |1,09          |
|Прочие      |1,1             |1,48          |



                                    


     Сравнение состава Земли в  целом  с  составом  земной  коры  (см.выше)
показывает резкое увеличение в первом доли  тяжелых  элементов  -  железа  и
никеля, что обусловлено влиянием  ядра.  Приведенные  в  табл.4  элементы  в
Земле распространены в виде химических соединений,  в  самородном  виде  они
встречаются крайне редко.


     Ядро  Земли  имеет,  по  всей  вероятности,  железо-никелевый  состав,
близкий  к  составу   сидеролитов.   Содержание   железо-никелевого   сплава
составляет 84-92%, а остальную  часть  занимают  оксиды  железа.  Переходный
слой от внешнего ядра к субъядру  может  состоять  из  сернистого  железа  -
троилита FeS.


     Мантия образовалась в результате дифференциации первичного вещества по
плотности. Железо и никель, опустившись,  сконцентрировались  в  ядре,  а  в
мантии накопилось относительно легкое вещество - пиролит. В  составе  мантии
отсутствует металлическое железо,  но  ее  состав  определяется  содержанием
оксидов кремния, магния, алюминия и кальция. Хондриты  по  составу  занимают
промежуточное положение между первичным веществом Земли и  пиролитом.  Из-за
высокого содержания кремния и магния  мантию  иногда  называют  симатической
оболочкой.


     Процесс дифференциации вещества  мантии  продолжается  и  в  настоящее
время. Так, в  астеносфере  происходит  выплавление  базальта  из  пиролита,
способного  выделить  до  25%  базальта.  После  выплавления  более  легкого
базальта, поднимающегося  вверх  к  земной  коре,  вещество  верхней  мантии
теряет  часть  SiO2;   по   составу   эта   часть   пиролита   соответствует
ультраосновным породам - перидотиту, пироксениту, дуниту.  Граница  базальта
и  ультраосновных  пород  характеризуется  резким  изменением  плотности   и
сейсмической скорости. Эта граница собственно и есть раздел  между  корой  и
мантией - граница Мохоровичича. Дифференциация затрагивает, по-видимому,  не
только астеносферу, но и нижележащий слой Голицына,  к  которому  приурочены
локальные очаги плавления и очаги глубокофокусных землетрясений.


     Земная  кора,  по  современным  представлениям,  является  результатом
дифференциации  вещества   мантии.   Базальтовый   слой,   характеризующийся
сплошным распространением на Земле, как указывалось  выше,  выплавляется  из
пиролита в астеносфере, откуда базальт медленно поднимается вверх к  коре  в
виде огромных масс каплевидной формы - астенолитов.


     Существует и другая точка зрения о механизме выплавления базальтов,  в
соответствии с которой на границе Мохо происходит не резкая  смена  состава,
а лишь перестройка внутренней структуры  базальта  и  переход  его  в  более
плотную разновидность  -  эклогит.  Эта  перестройка  структуры  обратима  и
определяется физическими условиями -  давлением  и  температурой  в  подошве
коры. При изменении этих условий граница Мохо  может  перемещаться  вверх  и
вниз по разрезу.


     Обе приведенные точки зрения объясняют  причину  появления  в  подошве
земной коры границы, разделяющей базальты и ультрабазиты, в  общем  довольно
близкие по химическому составу. Значительно сложнее объяснить  происхождение
гранитно-метаморфического   слоя,   лежащего   на   базальтах   в   пределах
континентов. По-видимому, этот слой, представленный  породами,  обогащенными
окисью кремния и окисью  алюминия,  образовался  вследствие  очень  глубокой
дифференциации пород, происходившей  на  ранней  стадии  развития  Земли,  и
последующего переплавления (возможно многократного) сформировавшихся  пород.
Гранитообразование в значительной степени связано со  вторичными  процессами
переплавления, происходящими в конвергентных и  коллизионных  зонах  как  на
границе континентов  и  океанов,  так  и  внутриконтинентальных.  Оно  также
связано  с  геологическими  процессами,  протекающими   на   поверхности   -
выветриванием  и  осадконакоплением,  которые  сопровождаются   образованием
пород, обогащенных оксидами.


     Из-за высокого  содержания  кремния  и  алюминия  земную  кору  иногда
называют сиалической оболочкой Земли.


     Таким  образом,  в  направлении  от  внешних  геосфер   к   внутренним
возрастает роль более тяжелых элементов, в частности, металлов.


                             КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


Какие методы применяются для  изучения  состава  геосфер?  Что  такое  кларк
вещества?


С какой целью изучают метеориты и лунные образцы?


Какие химические элементы характерны для литосферы, мантии, ядра?

До какой глубины достоверно изучены химические элементы, слагающие земную
кору? Что такое «ксенолит»?
1 2 3 4 5 6