Из каких элементов состоит ядро земли


Установлено, что со скоростью 55 км в год северный магнитный полюс нашей планеты с Канады смещается к архипелагу Северная Земля, и этот процесс не останавливается. Как полагают ученые, в жидкой части земного ядра происходит что-то неизведанное, что повлечет за собой через некоторое время смену полюсов.

Почему у Земли железное ядро

Ядро Голубой планеты видится специалистам ключом к разгадке многих космических тайн. Ядро является источником магнитного поля — наиважнейшего компонента возникновения жизни. Оно же даст ответы на вопросы о появлении планет земной группы.

Какие факты свидетельствуют о том, что ядро Земли состоит из железа? Во-первых, это магнитное поле, которое, например, мантия создать не могла из-за слишком слабой проводимости электрического тока, но это может обеспечить проводящая жидкость. Вывод: некоторая часть ядра находится в жидком состоянии, а железо — один из самых распространенных элементов в нашей звездной системе, о чем говорит его высокое содержание в найденных на Земле метеоритах.


Внешняя часть ядра не пропускает упругие S-волны, что указывает на её жидкую консистенцию, внутренняя же, радиус которой равен 1221 км, туго эти волны распространяет — значит, она твердая. Граница этих двух слоев определяется довольно легко, точно так же, как граница между ядром и нижней мантией.

Помимо железа, как основной составляющей земного ядра, там присутствуют в небольших долях ещё никель, кремний, сульфиды и кислород. А по некоторым показаниям прохождения сейсмических волн можно судить о том, что ядро имеет немного большую скорость вращения, чем у мантии и коры.

До сих пор специалисты так и не пришли к единому мнению по поводу ряда вопросов относительно ядра Земли: Когда и как образовалось? Какова там температура? Где источник энергии? И почему оно вообще образовалось внутри планеты?

Сравнение эволюций Земли и Венеры

Эти две планеты часто называют близнецами из-за почти что идентичных показателей массы и размеров. Но условия разнятся кардинальным образом. Если Земля обладает магнитным полем, атмосферой и биосферой, но у Венеры из этого списка есть только загрязненная атмосфера, заполненная облаками из серной кислоты. Почему такие различия?

Земля и Венера — выходцы из одной части газопылевой туманности, сформировавшейся вокруг Солнца. Зародыши планет начали притягивать к себе материал, быстро набирая вес, а затем последовали разогрев и плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие же устремились наверх.


Исследовательская группа из Германии, Японии и Франции считает, что расслоение подобных Земле космических объектов — процесс, отличающийся стабильностью и равномерностью, и каждый из этих слоев оказывается в итоге однородным. А чтобы оно стало двухслойным и неоднородным, должно было произойти столкновение с массивным небесным телом, одна часть вещества которого таким образом оказалась в недрах Земли, а другая отошла на орбиту, став материалом для формирования Луны. В результате мощного удара внутренний состав нашей планеты перемиксовался, что привело к частичному плавлению ядра.

Что касается Венеры, то ей повезло или же не повезло пройти свой эволюционный путь без аналогичных космических ДТП, поэтому расслоение её завершилось как и должно было. Появилось твердое железное ядро, которое не способно создать магнитное поле.

Как и когда у Земли появились железное ядро и магнитное поле?

Но это лишь одна из версий. Есть и другая, повествующая о неожиданной кристаллизации железного расплава. Но для этого требуется остывание до 1000 Кельвинов, что считается учеными невозможным событием. Поэтому, констатировали эксперты, зародыши кристаллизации попали в ядро извне, и, как вариант, это могла быть нижняя мантия. Речь идёт о довольно крупных фрагментах железа, но совершенно непонятно, как они там могли появиться.

Дать подсказку могут, возможно, древние железистые кварциты, находящиеся на поверхности Земли. Около трех миллиардов лет назад именно эти породы сформировали дно океанов, которое вследствие движения плит провалилось в мантию, а потом и в ядро.

Формирование магнитного поля Земли


Проанализировав соотношение радиоактивных изотопов свинца, планетологи установили, что возраст земного ядра составляет около 4,5 млрд лет. С определением возраста магнитного поля уже не так все просто.

Как и когда у Земли появились железное ядро и магнитное поле?

Как показывает модель геодинамо, для существования магнитного поля требуется проводящая жидкость с перемешиванием при вращении. Но тут в игру вступает один момент: магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей все равно со временем угасает, а у Земли его интенсивность не изменилась, судя по геологическим данным. Всё говорит в пользу наличия какого-то мощного источника энергии, поддерживающего магнитное поле активным так долго.

Это может быть либо температурная конвенция, происходящая при условии того, что внутреннее ядро горячее внешнего, либо композиционная конвекция — перемещение элементов из одной части в другую, означающее постепенное увеличение твердой части ядра. Но для полного остывания потребуется не один миллиард лет, так что бояться не нужно.

Источник: mirkosmosa.ru

Современная теория


Внутреннее пространство планеты дифференцировано. То есть, структура (как и у остальных планет) представлена слоями. Снимите один и попадете на следующий. Причем каждый будет обладать своей температурой и химическим составом.

Наше понимание слоев планеты базируется на результатах сейсмологического мониторинга. Он вмещает исследование звуковых волн, созданных землетрясением, а также анализ того, как прохождение сквозь различные слои замедляет их темп. Перемены в сейсмической скорости приводят к рефракции.

Их используют вместе с трансформациями в гравитационных и магнитных полях и экспериментах с кристаллическими твердыми веществами, имитирующих давление и температурный показатель в глубине планеты.

Исследования

Еще в древние времена человечество пыталось разобраться в составе Земли. Первые попытки даже не относились к науке. Это были скорее легенды и мифы, связанные с божественным вмешательством. Однако среди населения распространилось несколько теорий.

Вы могли слышать о плоской Земле. Это мнение бытовало в месопотамской культуре. Планета изображалась как плоский диск, бороздящий океан. Майя также считали ее плоской, но на углах располагалось четыре ягуара, которые удерживали небо. Персы видели космическую гору, а у китайцев это был четырехсторонний куб.


В 6 веке до н. э. греки склонялись к округлой форме, а в 3 веке до н. э. идея о сферической Земле обретала почву под ногами и первую доказательную базу. В этот же момент ученые начинают соприкасаться с геологическими исследованиями, а философы рассматривать минералы и металлы.

Но настоящий сдвиг произошел лишь в 16-17-х вв. Эдмунд Галлей в 1692 году предложил теорию «Пустота Земли». Он считал, что внутри есть полость, то есть, определенное ядро, чья толщина занимает 800 км.

Между этими сферами располагается воздушный зазор. Чтобы не возникло эффекта трения, внутренняя сфера должна удерживаться гравитацией на месте. Модель отображала две концентрические оболочки вокруг ядра. По диаметру соответствовали Меркурию, Венере и Марсу.

Галлей основывался на плотности Луны и Земли, выдвинутых Исааком Ньютоном в 1687 году. Дальше ученые решили рассмотреть достоверность Библии. Исследователям было важно вычислить реальный возраст планеты и обнаружить доказательства потопа. Здесь и начали рассматривать ископаемые и вырабатывать систему для классификации датирования слоев.

В 1774 году Абрахам Вернер представил в своих трудах детальную систему идентификации определенных минералов, основываясь на их внешних характеристиках.


В 1741 году в Национальном музее естественной истории Франции появилась первая должность по геологии. Через 10 лет термин «геология» вошел в обиход.

В 1770-х гг. на первое место в исследованиях выходят химические анализы. Одной из важных задач было исследование мест на наличие жидкого наводнения в прошлом (потоп). В 1780-х гг. были и те, кто верил, что слои создались не из-за воды, а за счет огня. Последователей называли плутонистами. Они верили, что планета сформировалась из-за затвердевания расплавленных масс. И все это происходило крайне медленно. Отсюда вытекало, что планета намного старше, чем говорилось в Библии.

В 19 веке на геологию сильно повлияла промышленная революция, а также концепция стратиграфической колонны – скальные образования расположены в порядке их появления во времени. Ученые стали осознавать, что возраст ископаемых можно вычислить геологически (чем глубже найдены, тем старше).

Исследователи получили возможность отправляться в плавания, чтобы расширять кругозор и сравнивать находки в разных местах. Среди таких счастливчиков оказался Чарльз Дарвин, завербованный капитаном корабля Бигль.

Найденные им гигантские окаменелости сделали из него геолога, а его теории о причинах исчезновения привели к важнейшей работе «О происхождении видов», написанной в 1859 году.


Ученые увеличивали свои знания и создавали геологические карты Земли. Они уже исчисляли земной возраст в миллионных понятиях, а не тысячных. Но развитие технологий помогло сдвинуть остатки догматических представлений.

В 20-м веке появилось радиометрическое датирование. Тогда думали, что планетарный возраст достигает 2 миллиардов лет. В 1912 году Альфред Вегенер выдвинул теорию континентального дрейфа. То есть, когда-то все континенты были одним целым. Позже это подтвердили геологическим анализом образцов.

Теория плитной тектоники возникла из исследования океанического дна. Геофизические данные демонстрируют боковое движение континентов, а океаническая кора моложе континентальной.

В 20-м веке активно развивалась сейсмология, исследование землетрясений и прохождение волн сквозь Землю. Именно это помогло разобраться в составе и добраться до ядра.

В 1926 году Гарольд Джеффис заявил, что земное ядро жидкое, а в 1937 году Инге Леманн расширил эту теорию, дополнив, что внутри жидкого ядра есть сплошное твердое.

Земные слои

Землю можно разделить механически или химически. Первый способ изучает жидкие состояния. Здесь появляется литосфера, астеносфера и мезосфера, внешнее и внутренне ядро. Но большую популярность обрел химический метод, обнаруживший кору, мантию и ядро.


Внутреннее ядро твердое, а внешнее жидкое. Нижняя мантия пребывает под сильным давлением, поэтому обладает более низкой вязкостью, чем верхняя. Все отличия вызваны процессами, сопровождающими планетарное развитие в течение 4.5 миллиардов лет. Давайте внимательнее изучим внутреннее строение Земли.

Кора

Это внешний, охлажденный и застывший слой. Простирается на 570 км и представляет всего 1% планетарного объема.

Более узкие части – океаническая кора, лежащая в основе океанических бассейнов (5-10 км), а более плотная – континентальная. Верхняя часть мантии и земная кора – литосфера, охватывающая 200 км. Большая часть скал сформировалась 100 миллионов лет назад.

Верхняя мантия

Занимает 84% объема и выступает по большей части твердой, но иногда ведет себя как вязкая жидкость. Начинается с «Поверхности Мохоровичича» – 7-35 км и углубляется на 410 км.

Движение в мантии отражается на перемещении тектонических пластин. Процесс обуславливается теплом из глубины. Именно это приводит к землетрясениям и формированию горных цепей.

Температура поднимается на 500-900°С. Слой на глубине 410-660 км считается переходной зоной.

Нижняя мантия


Температура на глубине в 660-2891 км способна достигать 4000°С. Но давление здесь слишком сильное, поэтому вязкость и плавление ограничены. Об этом слое известно мало, но полагают, что сейсмически однороден.

Внешнее ядро

Это жидкая оболочка с толщиною в 2300 км, а в радиусе охватывает 3400 км. Здесь плотность намного выше – 9900-12200 кг/м3. Полагают, что ядро представлено 80% железа, а также никелем и прочими легкими элементами. Нет сильного давления, поэтому оно не затвердевает, хотя по составу напоминает внутреннее ядро. Температура – 4030°С.

В жидком ядре из-за температуры и турбулентности создается динамо, влияющее на магнитное поле.

Внутреннее ядро

Из каких элементов состоит ядро Земли? Представлено железом и никелем, а в радиусе охватывает 1220 км. Плотность – 12600-13000 кг/м3, что намекает на присутствие тяжелых элементов (платина, золото, палладий, вольфрам и серебро).

Температура здесь вырастает до 5400°C. Почему же твердые металлы остаются жидкими? Потому что температура плавления крайне высокая, как и давление. Внутренне не сильно связано с твердой мантией, поэтому полагают, что оно вращается быстрее самой планеты.


Также есть мнение, что и внутреннее ядро обладает слоями, разделенными переходной зоной с толщиною в 250-400 км. Самый нижний слой способен в диаметре простираться на 1180 км. Ученые свидетельствуют о динамике, из-за которой ядро расширяется на 1 мм в год.

Как видите, наша планета – удивительное и полное загадок место. В ней все еще таится тепло, накопленное миллиарды лет назад. И это не мертвое тело, а динамический объект, который постоянно меняется.

Источник: v-kosmose.com

Вещественный состав мантии и ядра Земли
Вещественный состав земной коры

Вещественный состав мантии и ядра Земли

О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.

Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.

Однако в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно — состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.

Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Это хорошо согласуется и с данными о плотности вещества ядра, и с наличием магнитного поля, с данными о характере дифференциации хондритового вещества, и с другими фактами. Эксперименты при сверхвысоких давлениях показали, что при давлениях достигаемых на границе ядра и мантии, плотность чистого железа близко к 11 г/см3, что выше фактической плотности этой части планеты. Следовательно, во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются водород или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.

Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей (табл.). Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

Химический состав мантии Земли
Окислы Содержание, весовые %
Пиролитовая
модель
Лерцолитовая
модель
Хондритовая
модель
SiO2 45,22 45,3 48,1
TiO2 0,7 0,2 0,4
Al2O3 3,5 3,6 3,8
FeO 9,2 7,3 13,5
MnO 0,14 0,1 0,2
MgO 37,5 41,3 30,5
CaO 3,1 1,9 2,4
Na2O 0,6 0,2 0,9
К2О 0,13 0,1 0,2

Дискуссионным является форма нахождения этих элементов: в форме каких минералов и горных пород они находятся?

До глубины 410 км, согласно лерцолитовой модели, мантия состоит на 57% из оливина, на 27% из пироксенов и на 14% из граната; её плотность около 3,38 г/см3. На границе 410 км оливин переходит в шпинель, а пироксен – в гранат. Соответственно, нижняя мантия состоит из гранат-шпинелевой ассоциации: 57% шпинели + 39% граната + 4% пироксена. Превращение минералов в более плотные модификации на рубеже 410 км приводит к увеличению плотности до 3,66 г/см3, что отражается в возрастании скорости прохождения сейсмических волн через это вещество.

Следующий фазовый переход приурочен к границе 670 км. На этом уровне давление определяет разложение минералов, типичных для верхней мантии, с образованием более плотных минералов. Вследствие такой перестройки минеральных ассоциаций плотность нижней мантии у границы 670 км становится около 3,99 г/см3 и постепенно нарастает с глубиной под воздействием давления. Это фиксируется скачкообразным нарастанием скорости сейсмических волн и дальнейшим плавным нарастанием скорости границы 2900 км. На границе мантии и ядра, вероятно, происходит разложение силикатных минералов на металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации мантийного вещества сопровождается ростом металлического ядра планеты и выделением тепловой энергии.

Суммируя приведённые данные, необходимо отметить, что разделение мантии обусловлено перестройкой кристаллической структуры минералов без значимого изменения её химического состава. Сейсмические границы раздела приурочены к участкам фазовых превращений и связаны с изменением плотности вещества.

Раздел ядро/мантия является, как отмечено ранее, очень резким. Здесь резко изменяются скорости и характер прохождения волн, плотность, температура и другие физические параметры. Такие радикальные изменения не могут быть объяснены перестройкой кристаллической структуры минералов и, несомненно, связаны с изменением химического состава вещества.

Более подробные сведения имеются в вещественном составе земной коры, верхние горизонты которой доступны для непосредственно изучения.

Вещественный состав земной коры

Химический состав земной коры отличается от более глубоких геосфер в первую очередь обогащённостью относительно лёгкими элементами – кремнием и алюминием.

Достоверные сведения имеются только о химическом составе самой верхней части земной коры. Первые данные о её составе были опубликованы в 1889 году американским ученым Ф. Кларком, как среднеарифметические из 6000 химических анализов горных пород. Позже, на основании многочисленных анализов минералов и горных пород, эти данные многократно уточнялись, но и сейчас процентное содержание химического элемента в земной коре называется кларком. Около 99 % в составе земной коры занимают всего 8 элементов, то есть они имеют наибольшие кларки (данные об их содержании приведены в таблице). Кроме того, могут быть названы ещё несколько элементов, имеющих относительно высокие кларки: водород (0,15%), титан (0,45%), углерод (0,02%), хлор (0,02%), которые в сумме составляют 0,64%. На все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях, остаётся 0,33%. Таким образом, в пересчёте на окислы, земная кора в основном состоит из SiO2 и Al2O3 (имеет «сиалический» состав, SIAL), что существенно отличает её от мантии, обогащённой магнием и железом.

Вместе с тем, нужно иметь в виду, что приведённые выше данные о среднем составе земной коры отражают лишь общую геохимическую специфику этой геосферы. В пределах земной коры по составу существенно различается океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора образуется за счёт поступающих из мантии магматических расплавов, поэтому в значительно большей степени обогащена железом, магнием и кальцием, чем континентальная.

Среднее содержание химических элементов в земной коры
(по Виноградову)

Химический элемент

Содержание, вес.%
(кларк)

Кислород

47,00

Кремний

29,5

Алюминий

8,05

Железо

4,65

Кальций

2,96

Натрий

2,5

Калий

2,5

Магний

1,87

Источник: popovgeo.sfedu.ru

Внутреннее строение Земли

Планета Земля состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра. Можно сравнить земной шар с яйцом. Тогда яичная скорлупа будет представлять собой земную кору, яичный белок — мантию, а желток — ядро.

Внутреннее строение Земли. Источник: Климанова О.А. География 5-6 классы

Из каких элементов состоит ядро земли

Верхняя часть Земли носит название литосфера (в переводе с греческого «каменный шар»). Это твердая оболочка земного шара, в состав которой входит земная кора и верхняя часть мантии.

Земная кора

Земная кора — это каменная оболочка, которая покрывает всю поверхность нашей планеты. Под океанами ее толщина не превышает 15-ти километров, а на материках — 75-ти. Если вернуться к аналогии с яйцом, то земная кора по отношению ко всей планете тоньше, чем яичная скорлупа. На долю этого слоя Земли приходится всего 5% объема и менее 1% массы всей планеты.

В составе земной коры ученые обнаружили оксиды кремния, щелочных металлов, алюминия и железа. Кора под океанами состоит из осадочного и базальтового слоев, она тяжелее континентальной (материковой). В то время как оболочка, покрывающая континентальную часть планеты, имеет более сложное строение.

Выделяют три слоя континентальной земной коры:

  • осадочный (10-15 км в основном осадочных пород);

  • гранитный (5-15 км метаморфических пород, по свойствам схожих с гранитом);

  • базальтовый (10-35 км магматических пород).

Разрез земной коры. Источник: Климанова О.А. География 5-6 классы

Из каких элементов состоит ядро земли

Мантия

Под земной корой располагается мантия («покрывало, плащ»). Этот слой имеет толщину до 2900 км. На него приходится 83% от общего объема планеты и почти 70% массы. Состоит мантия из тяжелых минералов, богатых железом и магнием. Этот слой имеет температуру свыше 2000°C. Тем не менее большая часть вещества мантии сохраняет твердое кристаллическое состояние из-за огромного давления. На глубине от 50 до 200 км располагается подвижный верхний слой мантии. Он называется астеносфера («бессильная сфера»). Астеносфера очень пластична, именно из-за нее происходит извержение вулканов и формирование залежей полезных ископаемых. В толщину астеносфера достигает от 100 до 250 км. Вещество, которое проникает из астеносферы в земную кору и изливается иногда на поверхность, называется магмой («месиво, густая мазь»). Когда магма застывает на поверхности Земли, она превращается в лаву.

Ядро

Под мантией, словно под покрывалом, располагается земное ядро. Оно находится в 2900 км от поверхности планеты. Ядро имеет форму шара радиусом около 3500 км. Поскольку людям еще не удалось добраться до ядра Земли, о его составе ученые строят догадки. Предположительно, ядро состоит из железа с примесью других элементов. Это самая плотная и тяжелая часть планеты. На нее приходится всего 15% объема Земли и аж 35% массы.

Считается, что ядро состоит из двух слоев — твердого внутреннего ядра (радиусом около 1300 км) и жидкого внешнего (около 2200 км). Внутреннее ядро словно бы плавает во внешнем жидком слое. Из-за этого плавного движения вокруг Земли образуется ее магнитное поле (именно оно защищает планету от опасных космических излучений, и на него реагирует стрелка компаса). Ядро — самая горячая часть нашей планеты. Долгое время считалось, что температура его достигает, предположительно, 4000-5000°C. Однако в 2013 году ученые провели лабораторный эксперимент, в ходе которого определили температуру плавления железа, которое, вероятно, входит в состав внутреннего земного ядра. Так выяснилось, что температура между внутренним твердым и внешним жидким ядром равна температуре поверхности Солнца, то есть около 6000 °C.

Строение нашей планеты — одна из множества неразгаданных человечеством тайн. Большая часть информации о нем получена косвенными методами, еще ни одному ученому не удалось добыть образцы земного ядра. Изучение строения и состава Земли по-прежнему сопряжено с непреодолимыми трудностями, но исследователи не сдаются и ищут новые способы добыть достоверные сведения о планете Земля.

Методические рекомендации

При изучении темы «Внутреннее строение Земли» у учащихся могут возникать трудности с запоминанием названий и очередности слоев земного шара. Латинские наименования будет намного легче запомнить, если дети создадут собственную модель Земли. Можно предложить ученикам выполнить модель земного шара из пластилина или рассказать о его устройстве на примере фруктов (кожура — земная кора, мякоть — мантия, косточка — ядро) и предметов, имеющих схожую структуру. Поможет в проведении урока учебник География. 5-6 классы О.А.Климановой, где вы найдете красочные иллюстрации и подробные сведения по теме.


#ADVERTISING_INSERT#

Источник: rosuchebnik.ru

Мантия Земли имеет особый состав, отличаясь от состава покрывающей ее земной коры. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты Земли в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. К таким породам относятся ультраосновные породы — дуниты, перидотиты, залегающие в горных системах. Горные породы островов Св. Павла в средней части Атлантического океана, по всем геологическим данным, относятся к мантийному материалу. Также к мантийному материалу относятся обломки пород, собранные советскими океанографическими экспедициями со дна Индийского океана в области Индоокеанского хребта. Что касается минералогического состава мантии, то здесь можно ожидать существенных изменений, начиная от верхних горизонтов и кончая основанием мантии в связи с ростом давления. Верхняя мантия сложена преимущественно силикатами (оливинами, пироксенами, гранатами), устойчивыми и пределах относительно низких давлений. Нижняя мантия сложена минералами высокой плотности.

Из каких элементов состоит ядро земли

Наиболее распространенным компонентом мантии является окись кремния в составе силикатов. Но при высоких давлениях кремнезем может перейти в более плотную полиморфную модификацию — стишовит. Этот минерал получен советским исследователем Стишовым и назван так по его имени. Если обычный кварц имеет плотность 2,533 r/см3, то стишовит, образующийся из кварца при давлении 150 000 бар, имеет плотность 4,25 г/см3.

Кроме того, в нижней мантии вероятны и более плотные минеральные модификации других соединений. Исходя из изложенного выше, можно с достаточным основанием полагать, что с ростом давления обычные железисто-магнезиальные силикаты оливины и пироксены разлагаются на окислы, которые в отдельности имеют более высокую плотность, чем силикаты, которые оказываются устойчивыми в верхней мантии.

Верхняя мантия состоит преимущественно из железисто-магнезиальных силикатов (оливинов, пироксенов). Некоторые алюмосиликаты могут переходить здесь в более плотные минералы типа гранатов. Под материками и океанами верхняя мантия имеет разные свойства и, вероятно, различный состав. Можно только предположить, что в области континентов мантия более дифференцирована и имеет меньше SiO2 за счет концентрации этого компонента в алюмосиликатной коре. Под океанами мантия менее дифференцирована. В верхней мантии могут возникать более плотные полиморфные модификации оливина со структурой шпинели и др.

Переходной слой мантии характеризуется постоянным возрастанием скоростей сейсмических волн с глубиной, что свидетельствует о появлении более плотных полиморфных модификаций вещества. Здесь, очевидно, появляются окислы FeO, MgO, GaO, SiO2 в форме вюстита, периклаза, извести и стишовита. Количество их с глубиной возрастает, а количество обычных силикатов уменьшается, и глубже 1000 км они составляют ничтожную долю.

Нижняя мантия в пределах глубин 1000—2900 км практически полностью состоит из плотных разновидностей минералов — окислов, о чем свидетельствует ее высокая плотность в пределах 4,08—5,7 г/см3. Под влиянием возросшего давления плотные окислы сжимаются, еще более увеличивая свою плотность. В нижней мантии также, вероятно, увеличивается содержание железа.

Ядро Земли. Вопрос о составе и физической природе ядра нашей планеты относится к наиболее волнующим и загадочным проблемам геофизики и геохимии. Только за последнее время наметилось небольшое просветление в решении этой проблемы.

Обширное центральное ядро Земли, занимающее внутреннюю область глубже 2900 км, состоит из большого внешнего ядра и малого внутреннего. По сейсмическим данным, внешнее ядро обладает свойствами жидкости. Оно не пропускает поперечных сейсмических волн. Отсутствие сил сцепления между ядром и нижней мантией, характер приливов в мантии и коре, особенности перемещения оси вращения Земли в пространстве, характер прохождения сейсмических волн глубже 2900 км говорят о том, что внешнее ядро Земли жидкое.

Некоторыми авторами состав ядра для химически однородной модели Земли допускался силикатным, причем под влиянием высокого давления силикаты перешли в «металлизированное» состояние, приобретая атомную структуру металлов, у которых внешние электроны являются общими. Однако перечисленные выше геофизические данные противоречат предположению о «металлизированном» состоянии силикатного материала в ядре Земли. В частности, отсутствие сцепления между ядром и мантией не может быть совместимо с «металлизированным» твердым ядром, что допускалось в гипотезе Лодочникова—Рамзая. Очень важные косвенные данные о ядре Земли получены во время опытов с силикатами под большим давлением. При этом давления достигали 5 млн. атм. Между тем в центре Земли давление 3 млн. атм., а на границе ядра — приблизительно 1 млн. атм. Таким образом, экспериментальным путем удалось перекрыть давления, существующие в самых глубинах Земли. При этом для силикатов наблюдалось только линейное сжатие без скачка и перехода в «металлизированное» состояние. Кроме того, при высоких температурах и давлениях в пределах глубин 2900—6370 км силикаты не могут находиться в жидком состоянии, как и окислы. Их температура плавления возрастает с увеличением давления.

За последние годы получены весьма интересные результаты исследований по влиянию очень высоких давлений на температуру плавления металлов. Оказалось, что ряд металлов при высоких давлениях (300 тыс. атм. и выше) переходит в жидкое состояние при относительно невысоких температурах. По некоторым расчетам, сплав железа с примесью никеля и кремния (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) на глубине 2900 км под влиянием высокого давления должен находиться в жидком состоянии уже при температуре 1000° С. Но температура на этих глубинах, по самым скромным оценкам геофизиков, должна быть значительно выше.

Поэтому в свете современных данных геофизики и физики высоких давлений, а также данных космохимии, указывающих на ведущую роль железа как наиболее обильного металла в космосе, следует допустить, что ядро Земли в основном сложено жидким железом с примесью никеля. Однако расчеты американского геофизика Ф. Берча показали, что плотность земного ядра на 10% ниже, чем железоникелевый сплав при температурах и давлениях, господствующих в ядре. Отсюда следует, что металлическое ядро Земли должно содержать значительное количество (10—20%) какого-то легкого элемента. Из всех наиболее легких и распространенных элементов максимально вероятными |оказываются кремний (Si) и сера (S). Наличие одного или другого способно объяснить наблюдаемые физические свойства земного ядра. Поэтому вопрос о том, что является примесью земного ядра — кремний или сера, оказывается дискуссионным и связан со способом формирования нашей планеты в делом.

А. Ридгвуд в 1958 г. допустил, что земное ядро содержит кремний в качестве легкого элемента, аргументируя такое предположение тем, что элементарный кремний в количестве нескольких весовых процентов встречается в металлической фазе некоторых восстановленных хондритовых метеоритов (энстатитовых). Однако других доводов в пользу присутствия кремния в земном ядре нет.

Предположение о том, что в земном ядре имеется сера, вытекает из сравнения ее распространения в хондритовом материале метеоритов и мантии Земли. Так, сопоставление элементарных атомных соотношений некоторых летучих элементов в смеси коры и мантии и в хондритах показывает резкий недостаток серы. В материале мантии и коры концентрация серы на три порядка ниже, чем в среднем материале солнечной системы, в качестве которого принимаются хондриты.

Возможность потери серы при высоких температурах первичной Земли отпадает, поскольку другие более летучие элементы, чем сера (например, Н2 в виде Н2O), обнаружившие значительно меньший дефицит, были бы потеряны в значительно большей степени. Кроме того, при охлаждении солнечного газа сера химически связывается с железом и перестает быть летучим элементом.

В связи с этим, вполне возможно, большие количества серы поступают в земное ядро. Следует отметить, что при прочих равных условиях температура плавления системы Fe—FeS значительно ниже, чем температура плавления железа пли силиката мантии. Так, при давлении 60 кбар температура плавления системы (эвтектики) Fe—FeS составит 990° С, в то время как чистого железа — 1610°, а пиролита мантии — 1310. Поэтому при повышении температуры в недрах первично однородной Земли железный расплав, обогащенный серой, будет формироваться первым и ввиду своей низкой вязкости и высокой плотности будет легко стекать в центральные части планеты, образуя железисто-сернистое ядро. Таким образом, присутствие серы в железоникелевой среде действует в качестве флюса, снижая температуру ее плавления в целом. Гипотеза о присутствии в земном ядре значительных количеств серы является весьма привлекательной и не противоречит всем известным данным геохимии и космохимии.

Таким образом, современные представления о природе недр нашей планеты соответствуют химически дифференцированному земному шару, который оказался разделенным на две разные части: мощную твердую силикатно-окисную мантию и жидкое в основном металлическое ядро. Земная кора представляет собой наиболее легкую верхнюю твердую оболочку, состоящую из алюмосиликатов и имеющую наиболее сложное строение.

Подводя итог сказанному, можно сделать следующие выводы.

  1. Земля имеет слоистое зонарное строение. Она состоит на две трети из твердой силикатно-окисной оболочки — мантии и на одну треть из металлического жидкого ядра.
  2. Основные свойства Земли свидетельствуют о том, что ядро находится в жидком состоянии и только железо из наиболее распространенных металлов с примесью некоторых легких элементов (скорее всего, серы) способно обеспечить эти свойства.
  3. В верхних своих горизонтах Земля имеет асимметричное строение, охватывающее кору и верхнюю мантию. Океаническое полушарие в пределах верхней мантии менее дифференцировано, чем противоположное континентальное полушарие.

Задача любой космогонической теории происхождения Земли — объяснить эти основные особенности ее внутренней природы и состава.

Источник: www.polnaja-jenciklopedija.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.