Модели возникновения земного ядра

Идею о том, что Земля начала аккумулироваться первоначально из металлических частиц, высказали  В. Латимер, Э. В. Соботович, П. Гаррис и Д. Тозер, а позднее Э. Орован. В дальнейшем она была поддержана К. Таркяном и С. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовым. По К. Таркяну и С. Кларку, первичная Земля аккумулировалась в той последовательности, в которой происходила конденсация веществ из первичной солнечной туманности. Крайний вариант гетерогенной аккумуляции Земли был недавно предложен Д. Л. Андерсоном и Т. Ханксом, которые полагают, что внутреннее ядро Земли приобрело свой состав за счет самых ранних дометаллических конденсатов, внешнее ядро возникло из металлической фракции и серы, а мантия—за счет аккумуляции силикатной фракции. На заключительных стадиях аккумуляции произошло осаждение материала типа углистых хондритов (С1), включая гидратированные силикаты, летучие и органические соединения.

В процессе аккреции Земли железоникелевые частицы имели явное преимущество в отношении объединения перед частицами другого состава. Если аккумуляция первоначально происходила при высоких температурах, то капли железа при соприкосновении друг с другом легко сливались в тела компактной массы, образуя зародыши планет. Если агломерация имела место при низких температурах, то металлические частицы ввиду своей пластичности и хорошей теплопроводности объединялись при столкновении. В этом случае происходило поглощение кинетической энергии. Таким образом, могли происходить процессы как "горячей сварки", так и "холодной сварки" в зависимости от температуры частиц. Заметим, что в некоторых железных метеоритах обнаружены признаки объединения металла в результате соударений.

Поскольку силы магнитного притяжения для мелких металлических частиц на много порядков превосходят гравитационные силы, зависящие от масс, аккумуляция  частиц никелистого железа из охлаждающейся  солнечной туманности могла начаться при температурах ниже 1000 К в виде крупных сгущений и во много раз была более эффективной, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. По Ф. Хойлу и Н. Викрамасингу, когда происходило непрерывное сжатие Солнца, напряженность магнитного поля могла достигать высоких значений, на два порядка превышающих современную. В этих условиях аккумуляция ферромагнитных материалов типа железоникелевых частиц и троилита должна протекать наиболее эффективно, образуя зародыши планет земного типа. Поскольку точка Кюри для железа и железоникелевых сплавов находится вблизи 1000К, магнитные силы как фактор аккумуляции могут вступить во взаимодействие задолго до начала окисления железа.

П. Гаррис и Д. Тозер вычислили поперечное сечение захвата взаимно намагниченных частиц, которое оказалось в 2-104 раз выше их реального поперечного сечения. В то же время они показали, что магнитное взаимодействие зависит от размеров частиц.

Но, несмотря на то, что эта модель имеет право на существование, есть прямые доказательства того, что молодая  Земля никогда не плавилась и у нее еще не было плотного металлического ядра. Так, многие отличия геохимии лунных пород от земных могут быть объяснены только тем, что родительское тело Луны, т.е. Протолуна в противоположность Земле, была полностью расплавлена вскоре же после своего образования. При этом Протолуна прошла полную дифференциацию с выделением металлического ядра и анортозитовой коры. Об этом говорит, например, мощная анортозитовая кора на Луне, а также резкое обеднение лунных пород (по сравнению с земными) всеми сидерофильными и халькофильными элементами (Рингвуд, 1982; Хендерсон, 1985). Наиболее ярким и практически неопровержимым свидетельством этого являются изотопные отношения свинца на Луне и Земле. В лунных породах, явно выделившихся после полного расплавления планеты, отношения радиогенных изотопов свинца с атомными весами 206, 207 и 208, образовавшихся за счет распада урана 238 и 235, а также тория 232, к стабильному (первичному) изотопу 204 экстремально велики. Эти отношения в лунных породах в среднем достигают соответственно значений 206Pb/204Pb ~ 207, 207Pb/204Pb ~ 100, 208Pb/204Pb ~ 226 и выше, тогда как для земных пород, осредненных в океаническом резервуаре пелагических осадков, эти отношения равны 206РЬ/204РЬ = 19,04, 207Pb/204Pb = 15,68 и 208Pb/204Pb = 39,07. Для первичных же свинцов (судя по изотопному составу железного метеорита "Каньон Диабло", Аризона, США) они еще меньше - только 9,50; 10,36 и 29,45. Из приведенных соотношений вытекает, что лунным веществом во время расплавления Протолуны действительно было потеряно (перешло в протолунное ядро) от 96 до 98% первичного (нерадиогенного) свинца, а в лунной коре и базальтах накапливался в основном только радиогенный свинец. Ничем другим, кроме полного расплавления протолунного вещества, ликвацией расплавов и переходом свинца и его сульфидов в ядро этой планеты, такую потерю первичного свинца лунным веществом объяснить не удается. При этом железный метеорит "Каньон Диабло", в котором изотопы свинца действительно близко соответствуют их первичным отношениям, следует рассматривать как осколок ядра некоего спутника, прошедшего, подобно Протолуне приливное расплавление, дифференциацию и разрушение еще на стадиях формирования самих планет Солнечной системы.

 

2.2.4. Модель Лодочникова-Рамзея.

 

В 1948 году советский учёный Лодочников, известный геолог, и Рамзей, это уже иностранный учёный, понимая трудности образования железного ядра, предложили принципиально другую идею: нет железного ядра в земле, нет железных ядер и в других планетах.

Они предложили идею так называемой металлизации силикатов. То есть при  высоком давлении силикаты (а уже  было известно, что все силикатные вещества могут претерпевать фазовые  переходы под очень высоким давлением) преобразуются в очень плотный  субстрат, который проводит электрический  ток. Внешняя электронная оболочка сближается, и могут индуцироваться электрические токи, в том числе  образуя магнитное поле. Это была красивая идея, она объясняла состав всех планет - Меркурия, Марса, Венеры, Луны - по одному и тому же типу. Но только в Луне маленькие давления, там  нет магнитного поля, там не произошла  металлизация. Это была неплохая идея, но потом прямой эксперимент доказал, что невозможно при таком давлении достигнуть нужной плотности, как в  центре земли. На это только железо способно, и не просто железо в обычной  модификации альфа-железо, а там  должна быть специальная, специфическая  кристаллохимическая структура, так называемая эпсилон-железо. То есть эта гипотеза рухнула.

 

2.2.5. Модель Цёпритца.

 

Ряд ученых полагали, что ядро Земли  настолько нагрето, что находится  в газообразном и, вместе с тем, в  твердом состоянии. По мнению немецкого  геофизика Цёпритца (1882), газообразное вещество, из которого состоит земное ядро, имеет такую же плотность, как абсолютно твердое тело, обладая при этом свойствами газов. Вокруг газообразного (и твердого) ядра, по утверждению Цёпритца, располагается оболочка диссоциированных газов, затем переходная оболочка от газов к жидкости, потом расплавленная масса и твердая кора. К сходным представлениям пришли шведский физик С. Аррениус (1900), русские геологи Ф.Ю. Левинсон-Лессинг (1902) и И.Д. Лукашевич (1908).

 

 

2.2.6. Модель Куна-Ритмана.

 

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет гигантов в Юпитера, Сатурна и тому подобное. Сейчас предполагается, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре. 

2.2.7. Модель Кольцова.

 

Рис.3.Внутреннее строение планеты  Земля (вид со стороны Индийского океана). (И.Е.Кольцов,2009)

(http://cosmoforum.ucoz.ru/forum/7-140-4)

 

 

1. - ядро Земли с субъядром.
2. - рубашка ядра, связанная

с корой Земли,

3. - промежуточные спои,
4. - слои коры.

Внутреннее строение планеты Земля (вид со стороны Индийского океана) (по Кольцову И.Е.)

Очень интересна и оригинальна  модель малоизвестного учёного Кольцова И.Е., который выдвигает такую  гипотезу: «Наши исследования позволяют  высказать свой взгляд на внутреннее строение Земли. Ядро и субъядро находятся внутри объёмной питательной рубашки, имеющей воронкообразный рукав, который соединён с поверхностью корковой части Земли в районе западной части США (штат Невада, Скалистые горы). Вокруг питательной рубашки расположены промежуточные слои, каждый из которых тоже примыкает к поверхности Земли в районе Скалистых гор. Над промежуточными слоями находится трёхслойная кора Земли (базальтовый, гранитный и осадочный слои). Результаты известных из энциклопедии приборных исследований показывают, что при прохождении зондирующих сейсмических волн из промежуточной оболочки в ядро скорость продольных волн резко падает с 13,6 до 8,0 км/сек, что указывает на резкое различие свойств веществ. Прохождения поперечных волн через ядро не обнаружено. Последующие (уже наши) исследования показали, что плотность вещества внутри ядра составляет 2,2 г/см³. Средняя плотность (г/см³) промежуточных слоёв Земли равна менее 2, в нижнем слое коры - 6, в среднем - 4,5, в верхнем - 3,5. Температура внутри ядра, субъядра и в промежуточных слоях около300°С.»

Рис. 1.

 

2.2.8. Модель Гоха.

 

Академик МАФОБ, член кор. РАЕН, член кор. МАЭН, к.т.н., профессор

Гох Виталий Анатольевич предполагает что ядро образовалось на поздней стадии и состоит из 7 оболочек.

 

Работа путём сканирования ядра Земли с помощью квантового генератора и специальных тестовых приставок  дала возможность определить его  истинный диаметр и состав с сугубо инженерной точностью.

< f << f₁ < f₂ < f₃

Рис 4.Ядро Земли состоящее из 7 оболочек (В.А.Гох, 2008)

 (http://pyramid.org.ua/articles/83.html)

Так, ядро Земли состоит из семи оболочек, отличающихся одна от другой по толщине  и составу. Радиус ядра определяется в 2340-30 км. Наружная оболочка (толщиной прим. 430 км) представляет собой расплав алюмосиликатов с включениями графита, алмазов, рубиновых и других кристаллов. Следующая оболочка (толщиной прим. 220 км.) состоит из конгломерата различных расплавленных металлов, включая свинец, платину, золото, серебро, медь, никель, олово и других металлов. Толщина очередной оболочки составляет около 90м, и она состоит из расплавленного свинца. Следующая оболочка (толщиной прим. 360 км.) состоит из урана. Ещё глубже расположена оболочка из графита (толщиной 70 км.), выполняющего функцию замедлителя и отражателя нейтронов. Под этой оболочкой находится прим. 90-километровый слой инертных газов — зона конвективного теплообмена газовой части ядра. Центральная часть ядра состоит из лёгких газообразных элементов, участвующих в термоядерном синтезе и его продуктов (водород, дейтерий, тритий, углерод, литий, метан, гелий, азот, углекислота, кислород и др.) Толщина этой части ядра по радиусу составляет примерно 720 км. 

2.3.Этапы выделения и формирования  земного ядра.

 

Распад радиоактивных элементов  в катархее согревал Землю более или менее равномерно по всему ее объему. Зато разогрев земного вещества приливными деформациями был неравномерным и в основном происходил в верхних частях экваториального пояса Земли. Следовательно, и возникновение первой астеносферы в самом начале архея скорее всего произошло все в том же экваториальном поясе, на глубинах около 200-400 км, т.е. там, где геотерма разогревающейся Земли впервые достигла уровня начала плавления железа и силикатов.

Термодинамический расчет процесса зонной плавки мантии в молодой Земле  показывает, что этот процесс сопровождался  выделением значительной гравитационной энергии, которая тратилась на прогрев  земного вещества, подстилающего  слой расплавленного железа, на расплавление железа и его перегрев. Процесс  сепарации расплавленного железа от силикатов тем не менее не мог распространяться глубже некоторого предельного уровня, начиная с которого высвобождавшейся гравитационной энергии уже не хватало на прогрев нижележащего земного вещества до уровня плавления железа. Однако на глубинах, превышающих 860 км, помимо железа, стала выплавляться и окись железа FeO, концентрация которой в первичном веществе достигала 24%. Это придало новый импульс процессу зонной дифференциации Земли в архее.

Перегрев верхней мантии произошел  достаточно резко примерно через 200 млн лет после начала действия процесса зонной дифференциации металлического железа и сначала быстро возрастал. Снижение температуры мантии после первого максимума перегрева объясняется постепенным увеличением с глубиной разности температур плавления железа и земных недр на фронте зонной дифференциации. Второй же максимум перегрева мантии, прежде всего, был связан с вовлечением в процесс выплавления "ядерного" вещества окислов железа и начавшимся в позднем архее процессом формирования земного ядра (выжимания из центральных областей Земли ее первозданной сердцевины).

В связи со сравнительно низкой температурой глубинных областей первозданной Земли  вязкость вещества в ее недрах была исключительно высокой, глубже 1000 км превышала 10²⁷ П и резко возрастала с глубиной до Ю³⁵-Ю⁴⁰П в центре.

Развитие процесса зонной дифференциации земного вещества в архее привело  к возникновению резкой гравитационной неустойчивости планеты. Действительно, образовавшиеся благодаря зонной плавке плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси располагался тогда над более легким веществом  первозданной "сердцевиной" Земли (рис. 5). Ситуация гравитационной неустойчивости в Земле разрешилась путем выжимания первозданной земной "сердцевины" в экваториальном поясе одного из полушарий Земли и опускания тяжелых расплавов к центру Земли со стороны противоположного полушария, как это и показано на рис. 5.

Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черным показаны расплавы железа и его окислов, белым - деплетированная мантия, обедненная железом, его окислами и сидерофильными элементами; черточками - первичное земное вещество, радиальной штриховкой - континентальные массивы. (0,Г.Сорохтин,2007)

 

 

Процесс этот должен был развиваться  по нарастающему катастрофическому  сценарию, с образованием в конце концов у Земли плотного ядра. Объясняется это существенной неравномерностью прогрева молодой Земли. Действительно, после захвата Землей Протолуны, образования Луны и дальнейшей эволюции ее орбиты основная доля приливной энергии, а она была огромной - около (4-5) • 10 эрг, выделилась преимущественно в верхних слоях Земли и в ее экваториальном кольцевом секторе. В результате Земля в низких широтах оказалась разогретой в заметно большей мере, чем в полярных секторах. Поэтому первая астеносфера и связанная с ней зона сепарации железа должны были возникнуть именно под экваториальным поясом нашей планеты. Это привело к тому, что в течение всего архея зонная дифференциация земного вещества развивалась в мантии только под низкими и умеренными широтами Земли (рис. 5) этом же экваториальном поясе возникли и все древнейшие архейские континентальные щиты и платформы.