1.Содержаніе:
2.Введеніе
3.Образованіе мантії і ядра Землі
4. Диференціація мантії та освіта кори, гідросфери та атмосфери
5.Висновок
6.Список використаної літератури
2.Введеніе.
В даний час в науці склалося таке положення, що розробка космогонічної теорії та реставрація ранньої історії Сонячної системи можуть здійснюватися переважно індуктивним шляхом, заснованим на порівнянні і узагальненні отриманих зовсім недавно емпіричних даних по матеріалу метеоритів, планет і Місяця. Оскільки про будову атомів і поведінці їх з'єднань при різних термодинамічних умовах нам стало відомо дуже багато, а про склад космічних тіл були отримані зовсім достовірні і точні дані, то вирішення проблеми походження нашої планети поставлено на міцну хімічну основу, якої були позбавлені колишні космогонічні побудови. Слід найближчим часом чекати, що вирішення проблем космогонії Сонячної системи взагалі і проблеми походження нашої Землі зокрема досягне великих успіхів на атомно-молекулярному рівні, подібно до того, як на цьому ж рівні генетичні проблеми сучасної біології блискуче вирішуються на наших очах.
Ізотопні співвідношення елементів у метеоритному і земній речовині, дані про хімічний склад і структуру метеоритів представляються нам все більш виразно як історичні документи, за якими може бути прочитана рання історія Сонячної системи і відновлені умови народження нашої планети - Землі. У світлі сучасних даних космохімія та геохімії, астрофізики і геофізики вже зараз можна зробити висновок, що речовина Землі в минулому, щодо незадовго до утворення планет, перебувало в стані плазми і шлях становлення нашої планети був пов'язаний з еволюцією речовини від плазмового стану до стану освіти хімічних сполук , металевих фаз та інших форм існування твердих рідких і газоподібних тіл (при відносно невисоких температурах). При сучасному стані науки фізико-хімічний підхід до вирішення проблем космогонії Сонячної системи є абсолютно неминучим. Тому давно відомі механічні особливості Сонячної системи, яким класичні космогонічні гіпотези приділяли головну увагу, повинні бути витлумачені в тісному зв'язку з фізико-хімічними процесами в ранній історії Сонячної системи. Останні досягнення в галузі хімічного вивчення окремих тіл цієї системи дозволяють нам абсолютно по-новому підходити до реставрації історії речовини Землі і на цій основі відновити рамки тих умов, в яких відбувалося народження нашої планети - становлення її хімічного складу і формування оболонкової структури.
3.Образованіе мантії і ядра Землі.
Освіта Землі пов'язане з акумуляцією речовини, представленого переважно високотемпературними конденсату сонячного газу. Однак щодо способу акумуляції існують різні думки. У процесі формування Землі можна допустити три варіанти акумуляції.
1. Гомогенна акумуляція, що знайшла найбільш повну розробку в гіпотезою О. Ю. Шмідта і його прихильників. Вона привела до утворення квазіоднородной первинної Землі. Модель спочатку гомогенної за складом і будовою Землі користувалася найбільш широким визнанням. Відповідно до цієї моделі, сучасне зональне будову Землі виникло лише в ході еволюції, що виразилося в розігріванні, частковому плавленні і диференціації земної речовини під впливом радіоактивних джерел тепла.
2. Гетерогенна акумуляція, що визначила з самого початку головні риси будови земної кулі - наявність в первинній Землі металевого ядра і мантії. При акумуляції металевих частинок спочатку виникло ядро, потім на нього осіли більш пізні конденсату у вигляді силікатів, утворивши могутню мантію первинної планети.
Ідею про те, що Земля почала акумулюватися спочатку з металевих частинок, висловили В. Латімер, Е. В. Соботович, П. Гарріс і Д. Тозер, а пізніше Е. Орован. Надалі вона була підтримана К. Таркяном і С. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовим. За К. Таркяну і С. Кларку, первинна Земля акумулювалася в тій послідовності, в якій відбувалася конденсація речовин з первинної сонячної туманності. Крайній варіант гетерогенної акумуляції Землі був нещодавно запропонований Д. Л. Андерсоном і Т. Ханксом, які вважають, що внутрішнє ядро Землі придбало свій склад за рахунок самих ранніх дометалліческіх конденсатів, зовнішнє ядро виникло з металевої фракції і сірки, а мантія-за рахунок акумуляції силікатної фракції. На заключних стадіях акумуляції відбулося осадження матеріалу типу вуглистих хондритів (С1), включаючи гідратованих силікати, і летючі органічні сполуки.
3. Частково гетерогенна акумуляція без різких перерв у складі матеріалів, що будують земну кулю. У цьому випадку найбільш різка різниця в складі мала місце лише між центральними частинами Землі і поверхневими шарами первинної мантії. При такому способі акумуляції спочатку не було різкі кордонів між ядром і мантією, подібно до сучасного стану. Межі ці встановилися пізніше в ході подальшої хімічної диференціації, пов'язаної з нагріванням. Ядро Землі виникло в результаті комбінації процесів гетерогенної аккреции і подальшої хімічної диференціації. Виплавлення залізо-сірчистих мас і видалення їх з різних горизонтів первинної Землі шляхом стікання в центральні області було процесів, що протікають асиметрично і надалі що визначив Асиметричний характер кори і верхньої мантії.
В даний час нам досить обгрунтованою здається ідея про те, що походження земного ядра пов'язано з походженням (способом формування) самої Землі і Сонячної системи. Хімічна еволюція протопланетному туманності, розглянута нами вище, при охолодженні газу сонячного складу визначила та обставина, що в районі акумуляції речовини Землі виникли хімічні сполуки, які визначили хімічний склад нашої планети в цілому. Початок формування Землі цілком ймовірно, було пов'язано з первинної акумуляцією саме металевих частинок. На користь цього ми можемо привести наступну аргументацію.
У процесі акумуляції планет железонікелевие частинки мали явну перевагу щодо об'єднання перед частками іншого складу. Якщо акумуляція спочатку відбувалася при високих температурах, то краплі заліза при зіткненні один з одним легко зливалися в тіла компактною маси, утворюючи зародки планет. Якщо агломерація мала місце при низьких температурах, то металеві частинки через свою пластичності і гарної теплопровідності об'єднувалися при зіткненні. У цьому випадку відбувалося поглинання кінетичної енергії. Таким чином могли відбуватися процеси як "гарячої зварювання", так і "холодної зварювання" в залежності від температури частинок. Зауважимо, що в деяких залізних метеоритах виявлені ознаки об'єднання металу в результаті зіткнень.
Нарешті при температурах нижче точки Кюрі (1043 K для Fe, 598 K для FeS) частинки заліза і троіліта могли легко намагнічуватися в сильному магнітному полі первинного Сонця і в подальшому об'єднувалися силами магнітного тяжіння. Оскільки сили магнітного притягання для дрібних металевих частинок на багато порядків перевершують гравітаційні сили, які залежать від мас, акумуляція часток нікелістого заліза з охолоджуючої сонячної туманності могла початися при температурах нижче 1000 К в вигляді великих згущення і у багато разів була більш ефективною, ніж акумуляція силікатних частинок при інших рівних умовах. За Ф. Хойл і Н. Вікрамасінгу, коли відбувалося безперервне стиснення Сонця, напруженість магнітного поля могла досягати високих значень, на два порядки перевищують сучасну. У цих умовах акумуляція феромагнітних матеріалів типу железонікелевих часток і троіліта повинна протікати найбільш ефективно, утворюючи зародки планет земного типу. Оскільки точка Кюрі для заліза і железонікелевих сплавів знаходиться поблизу 1000 К, магнітні сили як фактор акумуляції можуть вступити у взаємодію задовго до початку окислення заліза. П. Гарріс і Д. Тозер вирахували поперечний переріз захоплення взаємно намагнічених часток, яке опинилося в 2-104 разів вище їх реального поперечного перерізу. У той же час вони показали, що магнітне взаємодія залежить від розмірів часток. Воно дуже незначне для частинок з діаметром менше 10 - 5 см, але при розмірах частинок 10-4 см агрегація настає досить швидко. При високих температурах (понад 1273 К) в газопилової хмарі всі частинки могли співіснувати незалежно до падіння температури нижче точки Кюрі. Але при падінні температури нижче точки Кюрі магнітне взаємодія железонікелевих часток ставало вирішальним чинником акумуляції в процесі народження планет.
Зі сказаного цілком природно випливає висновок, що при самих різноманітних умовах у первинної туманності железонікелевие сплави повинні акумулюватися першими. При досягненні досить великих мас зародки планет в подальшому могли захоплювати більш пізні конденсату сонячного газу шляхом безпосереднього гравітаційного захоплення.
Цілком очевидно, що описані вище процеси цілком відносять до нашої планети, для якої гетерогенна акумуляція представляється абсолютно неминучою. Ця акумуляція визначила первісну хімічну неоднорідність Землі, її термодинамічну нестійкість, яка в подальшому зумовила хід розвитку Землі-диференціацію її матеріалу, що призвело до чіткого відокремлення кордону між мантією і ядром, між внутрішнім і зовнішнім ядром ...
У світлі викладеного з'ясовується загальна картина народження Землі. Зростання Землі почався з об'єднання металевих частинок при температурах нижче точки Кюрі. Однак нагрів початкового металевого тіла внаслідок ударів частинок при акумуляції привела підвищення температур і, можливо, усунув взаємодія магнітних сил, яке було основним. Досягнувши значної маси, первинне металеве ядро-зародок продовжувало гравітаційний захоплення більш пізніх конденсатів з навколишнього середовища. На цьому етапі акумуляція стала більш гомогенної, і первинна мантія накопичувалася як потужна оболонка у вигляді суміші металевих, силікатних часток і троіліта. При цьому дуже ймовірно, що в нижніх горизонтах первинної мантії зміст металевих часток було підвищеним, а у верхніх горизонтах вони були відсутні. Таким чином, первісна мантія по радіусу представляла собою неоднорідну суміш металевого та силікатного матеріалу. На пізніх стадіях акумуляції осідали гідратованих силікати й органічні речовини. На завершальних етапах акумуляції Земля шляхом прямого гравітаційного захоплення придбала також частина (ймовірно, невелику) газів, у тому числі Н2О, СО2, СО, NНз, Hg, з первинної туманності в силу власного тяжіння.
Виходячи з тривалості процесів акумуляції в Сонячній системі близько п-108 років, що випливає з l29I - 129Xe і 244Pu - 132-136Xe датування метеоритних зразків, ми можемо припустити, що в більшій частині обсягу планети температури не перевищували точки плавлення її матеріалу. Однак у зв'язку з адіабатичним стиском, радіоактивним нагріванням від нині збереглися і швидко вимерлих радіоактивних ізотопів (244Pu, 247Cm і 129I) і залишкової теплової енергії від процесу акумуляції в ранні епохи існування Землі відбувалося підвищення температур і матеріал планети місцями почав плавитися. Максимальна температура була приурочена до центру з подальшим її зниженням до периферії. Плавлення в результаті радіоактивного нагрівання й інших факторів почалося на певних глибинах, де температура перевищила точку плавлення найбільш легкоплавких компонентів при даних умовах тиску. Якщо склад первинної мантії являв собою суміш силікатної, металевої та сульфідної фаз, то температура плавлення евтектики Fe-FeS биласамой мінімальної (1260 К) і в той же час вона меншою мірою залежала від збільшення тиску. Першим і принципово нового речовин могло відбуватися в більшій частині обсягу первинної мантії. Цілком очевидно, що рідка розплавлена фаза металу з домішкою сірки виникала в глибоких надрах планети легше, ніж рідкі розплавлені силікатні маси.
Диференціація гомогенної моделі Землі з плавленням та зануренням рідкого заліза, що сформував ядро Землі, повинна була істотно підняти температуру планети. При повному зануренні заліза температура повинна була підвищитися на 2270 К, при цьому в масштабі всієї Землі виділялася б енергія, що дорівнює 15 * 1030 Дж, за розрахунками Г. Юри -4,78 * 1030 Дж, а Є. Люстіха -16,7 * 1030 Дж. Це величезна кількість тепла мало розплавити всю нашу планету або ж її більшу частину. Однак ніяких ознак такої події ми не знаходимо. За гетерогенної моделі акумуляції Землі цього не відбувалося. Стікання железосерністих мас, що охопив лише нижні горизонти мантії, призвело до порівняно невеликого виділення загального тепла. Щодо оцінки часу не буде великою помилкою припустити, що утворення сучасного ядра Землі (зовнішнього железосерністого) відбулося в інтервалі 4,6-4 млрд. років тому.
Таким чином, за запропонованої моделі основна маса ядра утворилася в період формування Землі за рахунок акумуляції металевих частинок, а наступне виплавлення железосерністих мас в нижніх частинах первинної мантії завершило формування всього ядра Землі в цілому.
4.Діфференціація мантії та освіта кори, гідросфери та атмосфери.
У світлі сучасних геохімічних та космохіміческіх даних диференціація первинної мантії мала двосторонню спрямованість. З одного боку, відбувалося виплавлення найбільш легкоплавких, але важких компонентів-железосерністих мас з опусканням їх до центру через високу щільності і низької в'язкості, що призвело до формування зовнішнього ядра. З іншого боку, виплавлялося менш легкоплавкі, але збагачені летучими силікатні фракції, що призвело до утворення базальтової магми і згодом до формування базальтової кори океанічного типу. Якщо перший (перша також і в хронологічному відношенні) процес приводив до видалення з первинної мантії переважно сідерофільних і халькофільних хімічних елементів і їх зосередження в центральному ядрі, то друга-к відцентрової міграції переважно літофільних і атмофільних елементів.
Однак геохімічні властивості елементів залежно від конкретних фізико-хімічних умов можуть мінятися. Про ступінь хімічної диференціації мантії певною мірою можна судити, порівнюючи відносну поширеність деяких елементів верхньої мантії і різного типу хондритів. Так, наприклад, ставлення Ni: Fe в сучасній мантії складає близько 0,03, тобто воно значно нижче, ніж у хондрітових метеоритах, але вище, ніж у метеоритних силікату. Це можна пояснити тим, що на ранній стадії розвитку Землі більша частина нікелю вилучено з мантії шляхом сегрегації сульфіду і металу в ядро. Порівняння відносного поширення шести типових літофільних елементів верхньої мантії Землі з їх метеоритним розповсюдженням, згідно з розрахунками Р. Хатчісон, представлено в табл. 1.
З табл. 1 видно, що фракціонування літофільних елементів у мантії Землі відрізняється від такого в хондрітових метеоритах. Спостерігається загальна тенденція зменшення концентрації перших п'яти елементів від вуглистих хондритів до енстатітових. Верхня мантія Землі збагачена Al, Mg та Са і збіднена Ti і Сг щодо вуглистих хондритів. Збіднення верхній мантії Ti і Сг можна пояснити їх видаленням в минулі часи в ядро у вигляді сульфідів. У зв'язку з цим слід зазначити, що в сильно відновлених енстатітових хондрити весь Сг знаходиться в добрееліте, а 75% Ti-в Троїл.
Таблиця 1.
Фракціонування літофільних елементів щодо вуглистих хондритів
Елемент
Верхняямантія,
вільна від
Современнаяверхняя
мантія
Хондрити
вуглисті
звичайні
енстатітовие
Si
1,00
1,00
1,00
1,06
1,00
Ti
0,46
0,65
1,00
0,74
0,55
Al
1,06
1,05
1,00
0,71
0,55
Сг
0,47
0,58
1,00
0,82
0,77
Mg
1,29
1,23
1,00
0,90
0,74
Са
1,13
1,10
1,00
0,67
0,53
Умови верхній мантії були не такими відновлювальних?? і, як це мало місце у разі формування енстатітових хондритів, тому більш високий вміст Ti і Сг знаходилося в оксиди, що, природно, пов'язано з формою знаходження Fe у верхній мантії. Відомо, що Fe в енстатітових хондрити НЕ оксидів і в їх металевої фази присутній Si.
З викладеного випливає дуже мала ймовірність того, щоб легким елементом в ядрі Землі був Si, як це допускається деякими дослідниками. Видалення понад половини Ti і Сг і значної частки Ni з верхньої мантії в ядро, ймовірно, мало місце під час ранньої диференціації земної кулі. Поширеність головних літофільних елементів у верхній мантії схожа з моделлю формування Землі, в якій акумуляція почалася з ядра, де сконцентрувався метал, а потім осідав матеріал, близький за складом до звичайних і вуглисті хондрити, кілька збагаченим залізом. Потім парціальний плавлення викликало певну втрату сідерофільних і халькофільних (і деяких літофільних) елементів в первинній силікатної мантії і надходження їх в ядро.
Парціальний плавлення силікатного матеріалу мантії, збагаченого летучими, відбувалося в межах верхніх горизонтів первинної мантії. Воно почалося пізніше плавлення сульфідного евтектичного матеріалу (сульфід + метал). Оскільки збільшення тиску перешкоджало плавлення силікатного матеріалу на великих глибинах значно більшою мірою, ніж плавлення металевих і сульфідних речовин, то оптимальні умови для плавлення силікатних речовин існували на певних критичних глибинах. Як випливає з розрахунків Ф. Берча для хондрітовой моделі Землі, плавлення могло відбуватися в інтервалі глибин 100-600 км. Можлива присутність летючих кілька зменшувало ці глибини. У зв'язку з цим слід зазначити, що плавлення почалося в межах того шару первинної верхній мантії, в якому в процесі акумуляції з'явився матеріал, близький до вуглисті хондрити (С1), тобто Земля придбала гідратованих силікати, летючі компоненти і перші органічні сполуки у вигляді складних вуглеводнів, амінокислот та ін
У легкоплавких силікатних фракціях матеріалу первинної, мантії накопичувалися найбільш типові літофільние елементи, що надійшли разом з газами і парами води на поверхню первинної Землі. Більша частина силікатів, переважно железомагнезіальних, при відносному завершення планетарної диференціації утворила потужну мантію планети, а продукти її виплавлення дали початок розвитку алюмосилікатної кори, первинних океану і атмосфери, насиченою СОЗ.
Процес плавлення мантії, що визначив відцентрову міграцію розплавів і розчинів, був гетерогенним. Він відзначається ізотопним складом елементів з порід мантійних походження. Виявлено, що в мантії зберігаються ділянки з різним співвідношенням стабільних ізотопів, що було б неможливим при загальному плавленні і гомогенізації мантії великого масштабу. Дані вимірювань ізотопного складу вуглецю з зразків мантійних походження привели Е. Галімова до висновку про існування двох напрямків ізотопних вимірювань вуглецю. Вуглець в мантії знаходиться в двох різних формах, або фазах. Ізотопний складу вуглецю цих фаз різний, як і різна хімічна форма знаходження, подібно до того, що виявлено в метеоритах. Так, вуглець, розсіяний в кам'яних метеоритах, більш легким збагачений ізотопом (12С), у той час як вуглець, що знаходиться в графіті і органічній речовині, важчий (13С). При утворенні Землі ці дві форми вуглецю були успадковані планетою на останніх стадіях її акумуляції.
Е. Галімов відзначає, що ізотопний склад не тільки вуглецю, але і деяких інших елементів земної кори виявляє разючу подібність з ізотопним складом тих же елементів вуглистих хондритів при досить віддаленому схожості з іншими кам'яними метеоритами. Ці дані, по-перше, підтверджують гетерогенну акумуляцію і той факт, що в завершальних її етапах брало участь речовина, аналогічне складу вуглистих хондритів. По-друге, утворення зон і вогнищ плавлення в мантії було таким, що воно не змогло гомогенізувати ізотопний склад ряду хімічних елементів.
Додаткові свідчення на користь гетерогенної акумуляції мантії і її подальшої гетерогенної диференціації ми знаходимо в даних за ізотопним складом Sr і рь у вулканічних породах, матеріал яких виник на різних горизонтах у самій мантії. Для дослідження ранніх процесів диференціації мантії ми можемо використовувати ізотопні пари: 238U - 206 Pb, 87Rb-87Sr, оскільки всі чотири елементи геохімічних ведуть себе по-різному в обстановці парціального плавлення матеріалу мантії. Серед елементів летючість зростає в такій послідовності: U, Sr
