Модели возникновения земного ядра

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по геодинамике на тему:

«Модели возникновения  земного ядра»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2011г. 

Оглавление

1.Введение. 3

2. 3емное ядро 6

2.1.Процесс выделения земного ядра 6

2.2.Возможные модели возникновения земного ядра. 8

2.2.1. Модель позднего выделения ядра. 8

2.2.2. Модель перколляции. 11

2.2.3. Модель раннего выделения ядра. 12

2.2.4. Модель Лодочникова-Рамзея. 15

2.2.5. Модель Цёпритца. 16

2.2.6. Модель Куна-Ритмана. 17

2.2.7. Модель Кольцова. 18

2.2.8. Модель Гоха. 20

2.3.Этапы выделения и формирования земного ядра. 22

2.4.Возможная модель выделения внутреннего ядра. 27

З.Заключение. 28

Список литературы: 31

 

 

1.Введение.

 

Ядро занимает центральную часть  Земли (2900 - 6371 км), составляя около 17% от её объёма и 33% массы. В его составе  выделяют внешнее ядро, переходную оболочку и внутреннее ядро.

 

Рис. 1 .Строение земного ядра (http://spacelife.narod.ru/3/3.4.htm)

 

Внешнее ядро заключено в пределах от 2900 до 5000(5100) км. Его объём - 15,16%, масса - 29,8%. Оно состоит из вещества, находящегося в расплавлено-жидком состоянии. Вязкость - 0,4 П, что близко к вязкости воды. В последние годы на основании термодинамического моделирования с использованием механики жидких сред, делаются попытки стратифицировать внешнее ядро на две оболочки: верхнюю и нижнюю. Верхняя оболочка внешнего ядра рассматривается как некая слоистая зона, а нижняя - как зона интенсивной конвекции.

В основании внешнего ядра располагается  переходная оболочка мощностью около 140 км, интервал глубин 5000 - 5200 км. Слой характеризуется  некоторым увеличением скорости продольных упругих волн до 10,4 км/с, однако поперечные волны в её пределах не прослеживаются. Внутреннее ядро (субъядро) занимает самую сердцевину нашей планеты. Его радиус 1250 км, объём около 0,7 %, а масса около 1,8% от массы всей Земли. В его пределах скорость продольных волн возрастает до 11,4 км/с а поперечных до 3,4-3,6 км/с, что свидетельствует о том, что вещество субъядра находится в твёрдом состоянии.

В отношении химического и минерального состава ядра Земли существуют две  основные точки зрения: ядро - железо-никелевое или силикатное ( то есть тождественно составу мантии). Опыты показали, что в ядре должно содержаться не менее 80-90 % железа. В то же время было доказано, что при давлениях, которые господствуют в ядре Земли, железо-никелевое ядро должно на 8-15 % превышать плотность внешнего ядра в существующих моделях. Поэтому предполагается, что внешнее ядро состоит из сплавов или соединений железа с более лёгкими элементами, например,Si, О, Н. Считается также весьма возможным соединении железа с серой (Fe₃S). О.Г.Сорохтин считает наиболее вероятной добавкой к железу во внешнем ядре - кислород, а основным соединением, определяющим состав внешнего ядра - оксид одновалентного железа (Fe₃S). Однако при высоких давлениях химические свойства железа могут меняться, так как железо относится к переходной группе элементов с незаполненными промежуточными электронными уровнями. Поэтому при высоких давлениях в железе могут возникать электронно-фазовые переходы, меняющие конфигурацию внешних электронных оболочек: Fe₂Si04 Fe₂0 + Si0₂ + О При дальнейшем увеличении давления может произойти распад самого оксида железа с образованием чистого железа: Fe₂0 2Fe + О.

Расчёты О.Г.Сорохтина показывают, что такой переход с выделением чистого железа возможен при давлениях (2,5-3)* 10⁵ МПа, что близко к давлению на поверхности внутреннего ядра Земли (3,28*10⁵ МПа). Всё это позволяет высказаться за то, что внешнее ядро состоит из оксида одновалентной фазы железа.

Внутреннее  ядро состоит из сплава железа с  никелем в пропорции Fe₀,₉Ni₀,₁. Наиболее активно процессы кристаллизации железа вероятно, происходят в переходной оболочке. В результате этого процесса идёт осаждение свободного железа и приращение внутреннего ядра. Все эти данные были получены долгими и упорными трудами учёных на протяжении не одного десятка лет. Сложность в изучении строения, состава и, конечно же, возникновения ядра очевидны. Возникновение земного ядра - вопрос, интересующий учёных уже очень давно. Известно о ядре очень мало - вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, и образы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в обозримом будущем. Однако, несмотря на все трудности, учёными были выдвинуты модели возникновения земного ядра. Рассмотрим эти модели.

 

2. 3емное ядро

2.1.Процесс выделения земного  ядра

 

Для того чтобы рассмотреть возможные  модели возникновения земного ядра, необходимо разобраться в происхождении  самой Земли и Солнечной системы.

Считается, что «колыбелью» будущего Солнца и планет солнечной системы  явилось исходное газопылевое протопланетное облако, которое образовалось из межзвёздного газа и скопления железо-силикатной пыли нашей Галактики.

Рис.2.Газопылевое протопланетное облако

(http://www.en.edu.ru/shared/files/old/mlaPresent/presentations/32/7467_32.html)

Мы допускаем, что это облако (небула) уже содержало в себе различные химические элементы. Межзвёздные облака обычно испытывают медленное вращение и находятся в состоянии, близком в равновесии. Движение вещества в облаке напоминает турбулентное, хаотическое перемещение материи. Если же облако становится достаточно большим и плотным, то оно оказывается неустойчивым: в нём превалирует тяготение, и облако начинает сжиматься. Нарушение равновесия в первичном газопылевом облаке может произойти также при понижении температуры газа, составляющего 99% его массы. Вещество уплотняется до состояния вещества звёзд. Возникают термоядерные реакции, общим результатом которых является превращение водорода в гелий и выделение огромного количества энергии. По-видимому, в результате термоядерного взрыва и возникло Протосолнце. Вещество, выброшенное при этом, образовало вокруг него широкое плазменное облако, своеобразную туманность в виде диска с температурой несколько миллионов

градусов Цельсия. Из этого протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие тела Солнечной системы. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который в дальнейшем распался на холодные рои твёрдых частиц и газа. Из внутренних частей газопылевого диска возникли планеты типа Земля, состоящие в основном из тугоплавких элементов, а из периферических частей диска - большие планеты, богатые лёгкими газами, летучими элементами; в самой же внешней зоне образовалось огромное количество комет.

Дальнейшая эволюция будущих планет происходила, по мнению советского академика  А.П.Виноградова, путём собирания, - аккреции космического вещества различного размера от пылевидных частиц до огромных космических тел, получивших названия планетозималий. Постепенное повышение плотности вещества в протопланетном облаке резко увеличивало вероятность столкновения и слипания частиц. Аккреция протопланет могла проходить по двум основным сценариям: гомогенная и гетерогенная аккреция. Первый сценарий предусматривает образование планет из однородного, недифференцированного тела. Гетерогенная аккреция допускает вначале образование ядра Земли в результате слипания железистых частиц и метеоритов, затем формирование вокруг него мантии за счёт падения каменных метеоритов, а далее и земной коры, которая по составу близка к углистым хондритам.

2.2.Возможные модели возникновения  земного ядра.

2.2.1. Модель позднего выделения  ядра.

 

Согласно  рассмотренной выше и наиболее вероятной  модели образования Земли, она как и другие планеты Солнечной системы, образовалась за счет гомогенной аккреции холодного вещества протопланетиого облака. Рассмотрим модель позднего выделения ядра, спустя сотни миллионов лет после возникновения планеты.

Выделение плотного земного ядра могло начаться только после предварительного разогрева  Земли. При этом процесс выделения  земного ядра, в котором сосредоточена  треть массы Земли, естественно, должен был оставить неизгладимые следы  и в геологической летописи. Такими следами являются магматические  породы, излившиеся на поверхность  Земли или внедрившиеся в земную кору в расплавленном и перегретом состоянии, деформации пород земной коры, продукты дегазации Земли, породившие гидросферу и атмосферу, а также  геохимические особенности распределения  изотопов в земных породах. Несмотря на колоссальные усилия геологов всего  мира отыскать самые древние породы Земли, достоверно определенные возрасты наиболее древних пород земной коры, как правило, не превышают 3,75-3,8 млрд лет (Мурбат, 1980; Тейлор, Мак-Леннан, 1988). В последние годы, правда, появились сообщения австралийских геологов о находках обломочных цирконов с возрастом до 4,2-4,3 и даже почти до 4,4 млрд лет, залегающих в песчаниках и конгломератах архейского возраста, по- видимому близкого к 3,5 млрд лет (Wilde et al., 2001). Но из этого вовсе не следует, что континентальная кора начала формироваться в столь древние времена, как думают некоторые из геологов. В дальнейшем, после возникновения в архее плотной атмосферы и гидросферы, эти цирконы могли вымываться из первозданных пород Земли и отлагаться в осадочных породах архея, напоминая нам, что Земля намного старше, чем ее земная кора. Получается, что в течении катархея не обнаружено никаких пород, и можно сказать, что в течении

(4,6-3,8)* 10⁹ лет у Земли был «провал памяти». Это можно объяснить только тем, что первоначально молодая Земля в течение приблизительно первых 600-800 млн лет ее жизни, т.е. в течение всего катархея, действительно была холодной и пассивной планетой. Именно поэтому в земных недрах тогда и не развивались процессы дифференциации, приводящие к выплавлению легких коровых пород (базальтов, анортозитов или плагиогранитоидов). После же начала выделения земного ядра, когда Земля уже прогрелась настолько, что в ее недрах появились первые расплавы, а возникшие конвективные течения сломали первозданную литосферную оболочку, на земной поверхности появились и первые изверженные коровые породы. При этом вся первозданная литосфера, по существу являвшаяся аналогом примитивных океанических литосферных плит, должна была быстро и полностью погрузиться в мантию. Полному уничтожению ее следов на поверхности молодой Земли способствовало и то обстоятельство, что первозданная литосфера была сложена богатым железом и потому весьма тяжелым (около 4 г/см³) первичным веществом, тогда как плотность расплавленной верхней мантии после начала зонной дифференциации стала быстро снижаться до 3,2-3,3 г/см³. Изверженные же породы, и тогда представлявшие собой крайние дифференциаты земного вещества основного состава, должны были быть значительно более легкими - плотностью около 2,9-3,0 г/см³. Поэтому-то они и сохранились до наших дней, сформировав на поверхности древнейшие участки земной коры. Это и есть сохранившиеся и бесспорные следы, отмечающие собой начало процесса выделения земного ядра. Но произошло это уже в архее - в древнейшей эре земной истории, следы которой четко запечатлены в геологической летописи Земли.

Среди свидетельств, маркирующих начало процесса выделения земного ядра, прежде всего, следует отметить появление  первых изверженных пород около 3,9-3,8 млрд лет назад, положивших начало формированию континентальной земной коры, а также первых морских бассейнов и земной атмосферы. Также изотопные отношения свинца в земных и лунных породах убедительно показывают, что Земля в противоположность Луне никогда полностью не плавилась и, главное, не подвергалась радикальной дифференциации. Поэтому в описываемой модели эволюции Земли принято, что выделение ядра и гравитационной энергии дифференциации земного вещества началось приблизительно через 600 млн лет после образования самой планеты, в момент возникновения около 4,0 млрд лет назад в верхней мантии слоя астеносферы.

Таким образом можно предположить, что процесс дифференциации земного  вещества начался около 4 млрд лет назад. Тогда же начался и процесс выделения "ядерного" вещества, приведший, в конце концов к формированию у Земли плотного окисно-железного ядра. Заметная тектоническая активность Земли проявилась несколько позже - около 3,9-3,8 млрд лет назад. Процесс роста земного ядра продолжается и в настоящее время.

Но, несмотря на то, что модель позднего выделения ядра является наиболее обоснованной и реальной, некоторые учёные ставят под сомнение как эту модель в  частности, так и то, что ядро состоит  из железо-никелевого состава. Стоит привести их доводы:

1. Плотность внутреннего (G, по Буллену) ядра ниже, чем плотность железа при условиях, существующих в области внутреннего ядра.
2. Скорость S-волн в G-ядре очень мала и, если бы там было железо, то она должна бы быть около 6 км/с.
3. Скорость Р-волн практически не возрастает к центру Земли оставаясь постоянной вдоль радиуса (vp² = dp/dr), что не характерно для конденсированного вещества, а соответствует состоянию сжимаемого газа, т.к. скорость звука в газе практически не зависит от р и г, которые однозначно связаны друг с другом (р = rkT/mm, m - молекулярный вес, m = масса протона).

 

2.2.2. Модель перколляции.

 

Существует модель перколляции, то есть процесс стекания капель железосодержащих соединение и чистого железа (то есть ядерного вещества) из мантии в центральные сферы нашей планеты. Процесс «стекания» можно представить себе как некий седиментационный процесс, то есть осаждение тяжёлой компоненты из раствора под действием силы тяжести. Седиментационное расслоение Земли могло происходить либо в её твёрдом состоянии, либо в жидком.

Время седиментационного расслоения (t_c) можно оценить как

 

t_c=H_m/V _с,

 

где Н_m - толщина мантии,

V_c - скорость седиментации.

Скорость седиментации находится  из уравнения Стокса:

 

V_c=2r²g∆p/9ηm

 

где r - радиус плотностной неоднородности («капли»), g - ускорения силы тяжести,

∆р - разность плотности «ядерного» вещества и средней плотности вещества молодой Земли;

η - вязкость первичного земного материала (для облегчения задачи примем его равной средней вязкости современной мантии, то есть η_m=10²³ П) Пусть r=1 км, а

∆р=5 г/см³, тогда t_c=10¹⁴ лет, что примерно на 10⁵ раз превышает возраст самой Земли. Если же принять размеры плотностных неоднородностей в несколько сантиметров, то t_c= 10²⁴ лет.

Таким образом стоит сделать вывод, что эта модель не является реальной.

2.2.3. Модель раннего выделения  ядра.

 

Гетерогенная аккреция, определившая с самого начала главные черты строения земного шара — наличие в первичной Земле металлического ядра и мантии. При аккумуляции металлических частиц сначала возникло ядро, затем на него осели более поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную мантию первичной планеты.