big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Образование сейсмических границ

Кроме поверхности Мохоровичича и поверхности Конрада в земном шаре обнаружено наличие многочисленных сейсмических границ, волноводов и оболочек. К таким структурным образованиям относятся и слои с высокой электропроводностью (С-слои), и границы, отделяющие мантию от внешнего ядра и последнее от внутреннего.

С нашей точки зрения, появление слоев как с пониженной скоростью (волноводов), так и слоев с повышенной скоростью распространения сейсмических волн и с повышенной электропроводностью,

Схема движения паров и растворов в земной коре

так же как и других сейсмических границ, можно объяснить при учете особенностей фазовых переходов подвижных компонентов вещественного состава Земли у изотермических поверхностей их критического со стояния.

В табл. 5 приведены данные о критических константах некоторых веществ, присутствие которых возможно в земных недрах. Все эти соединения могут в принципе накапливаться у своих изотерм. Конечно, распределение таких свободных соединений по высоте зависит не только от температуры, так как различные соединения могут при этом взаимодействовать друг с другом, образовывать эвтектические смеси. При этом многие вещества, находясь длительное время в определенных горизонтах и взаимодействуя с минералами вмещающих пород или с солями нисходящих растворов, переходят из газового состояния в твердое, накапливаясь в виде рудных месторождений.

Многие из соединений (см. табл. 5) в обычных условиях не являются стойкими и разлагаются или под действием воды или под влиянием температуры. Но какова их устойчивость в условиях земной коры при существующих там условиях, не всегда ясно.

Возможность накопления определенных веществ в определенных горизонтах пород земной коры зависит и от наличия пор и трещин в слоях пород и от агрессивности того или иного вещества, способного растворять и перемещать растворимые в них компоненты, увеличивая этим пористость одних слоев и уменьшая ее в других,

нижележащих слоях. В пористых горизонтах должно происходить накопление соединений, ибо они не могут опуститься ниже, так как испаряются там, и не могут в виде газа подниматься вверх, так как там они сжижаются.

Накопление того или иного вещества в определенных горизонтах земной коры и в верхней мантии представляется достаточным для происхождения слоев, получивших наименование волноводов.

Уменьшение плотности пород не может не привести к снижению скорости распространения сейсмических волн. А снижение скорости есть причина полного внутреннего отражения их в таком слое. Это и делает такой слой волноводом. Можно, например, допустить, что в подкоровом веществе в слое, являющемся волноводом, накапливается элементарная сера в жидком и надкритическом состоянии (критическая температура серы равна 1040° С). За возможное скопление больших количеств серы в пределах подкорового слоя говорит большой дефицит ее в земной коре по сравнению с содержанием в каменных метеоритах. В земной коре содержание серы не превышает 0,1%, тогда как в каменных метеоритах оно достигает 1,8—2,0%. Общее содержание серы в веществе мантии, вес которой равен 4580∙1018 т, составляет 83∙1018 т, или 45∙109 км3. Такое количество серы на глубине 200—300 км могло бы образовать слой в 90 км. Конечно, вся сера не может находиться в свободном состоянии, а в толще мантии она может занимать только пустоты, поэтому приведенный расчет имеет только принципиальное значение.

Происхождение С-слоев, обнаруженных на глубине 60—90 км, можно объяснить предположением, что в них проходят изотермические поверхности критических температур металлов, например свинца, цинка и др. Накопление их в свободном виде даже в количестве нескольких процентов от вмещающих пород придало бы этим слоям высокую электропроводность и высокую плотность.

Можно, наконец, предположить, что образование границы раздела между мантией и внешним ядром также связано с накоплением на ней определенной жидкости (у изотермической поверхности своей температуры критического состояния).

Ядро Земли отличается тем, что оно состоит из вещества, непроницаемого для поперечных сейсмических волн. Таким свойством обладают жидкости. Поэтому большинством признается гипотеза о жидком состоянии вещества ядра. О том, накопление какой жидкости происходит на границе между мантией и ядром, можно делать предположения только на основе допущения о вероятной температуре, господствующей там. Если принять, как это часто делают, что температура на этой границе лежит около 1500° С, то одним из приемлемых веществ является ртуть, критическая температура которой равна 1450° С. Атомная распространенность ртути в метеорном веществе составляет 2∙10-6, что соответствует весовому содержанию ее 2∙10-3%.

Общее количество ртути в Земле (при содержании 2∙10-3%) доставит 119,60∙1015 г. Если плотность ртути в надкритическом состоянии (под влиянием давления) достигнет плотности жидкой ртути при нормальной температуре и будет равна 13 г/см3, то общий объем ртути будет равен 9,2∙1015 м3. Так как поверхность внешнего ядра при радиусе 3470 км равна 150 • 106 км2, то слой ртути на ней составил бы — 55 м. Поскольку слои, в которых концентрируется ртуть в виде жидкости и в виде надкритического газа, состоят из других пород, а ртуть в них лишь занимает пустоты, то общая мощность слоя, богатого ртутью, может быть в 10—15 раз больше 55 м. Кроме того, ртуть находится у поверхности своей изотермы не в чистом виде, а в виде растворов — амальгам тех или иных металлов. Это также может вызвать увеличение мощности слоя пород, богатых тяжелой жидкостью. Можно предположить, что такой слой препятствует прохождению поперечных волн. Он, как более плотный, чем вышележащий, отражает и продольные волны, поступающие даже под малыми углами.

Конечно, этот ориентировочный расчет показывает только то, что ртуть может и должна учитываться при разработке гипотез о причинах появления оболочек Земли. Если бы была известна температура на границе между мантией и ядром и она совпала бы с критической температурой ртути, то это уже было бы доказательством такой гипотезы. Пока же гипотеза о ртутной оболочке имеет такое же право на существование, как и гипотеза о железном ядре.

Отличительной особенностью внутреннего ядра является то, что в нем скорость распространения продольных сейсмических волн не изменяется, а держится на уровне 8 км/сек. Принимается, что ядрышко является твердым, но В. И. Вернадским было высказано предположение о том, что вещество ядрышка может находиться в надкритическом состоянии. Критическая температура железа лежит около 4500° С. Если во внутреннем ядре температура достигает этого значения, то железо уже не может находиться в виде жидкости и тем более в твердом виде.

Конечно, это только предположение, которое не более необычно, чем, например, предположение, высказанное в 1939 г. В. Н. Лодочниковым о том, что вещество ядра не отличается по химическому составу от вещества мантии, однако оно, находясь под огромным давлением, существует в другом фазовом состоянии, не отличимом от металла. Эта гипотеза не опирается на экспериментальные данные, она не объясняет того, что железные метеориты существуют, как и каменные; она не объясняет характерной особенности ядра не пропускать поперечные волны и постоянства скорости распространения продольных волн во внутреннем ядре.

В отличие от этого представление о критических изотермах и надкритическом состоянии вещества объясняет эти особенности.

Нельзя не высказать соображения о том, что допущение о надкритическом состоянии вещества, по-видимому железа, во внутреннем ядре позволяет понять энергетический источник возможного разрыва холодной планеты на части (что, вероятно, произошло с планетой на орбите, следующей за орбитой Марса) с образованием множества крупных и мелких осколков — астероидов, метеоритов, хондритов и т. п.

Действительно, если железо в ядрышке, находясь под огромным давлением в надкритическом состоянии, сжато до большей плотности, чем оно могло бы быть сжато в жидком состоянии, то при охлаждении планеты, при переходе железа из газового в жидкое состояние, может возникнуть еще большее давление вследствие значительного увеличения объема внутреннего ядра при его сжижении и меньшей сжимаемости жидкостей, чем газов.

Конечно, такое допущение о надкритическом состоянии вещества ядрышка не может служить доказательством высокой температуры в центре Земли. Нет и других доказательств такого предположения.

Как известно, на протяжении ряда лет под руководством А. П. Виноградова разрабатывается гипотеза выплавления легкоплавких компонентов мантии с подъемом их в земную кору по принципу зонной плавки. Эта гипотеза объясняет обогащенность земной коры многими элементами, содержание которых существенно выше, чем их содержание в метеоритах, а также объясняет и образование гидросферы и атмосферы Земли. Однако процесс зонного выплавления эффективен только при многократном его повторении. Такой процесс весьма легко осуществить в лабораторных условиях, но не легко обосновать его возможность в недрах мантии.

Представляется, что учет особенностей накопления различных веществ у изотерм своих критических температур помогает понять механизм, обеспечивающий постоянство и многократность процесса. Поскольку все вещества (простые и сложные) могут существовать в земных недрах в виде жидкости только до их критической температуры, это приводит к тому, что они должны, как это ясно из вышеизложенного, накапливаться в тех слоях, где господствуют их критические температуры. Можно представить, что накопление некоторых из них в определенных слоях может привести к снижению температуры плавления веществ, слагающих вмещающие слои. Можно также предположить, что накапливающиеся у своей критической изотермы вещества будут задерживать другие вещества, растворимые в них. Например, ртуть может растворять некоторые металлы, образуя амальгамы.

Появление таких жидких включений в определенных горизонтах мантии обязательно снизит температуру плавления вмещающих веществ и приведет к образованию расплавленного слоя, такого же, какой при зонной плавке мог бы в данном горизонте образоваться при более высокой температуре. Это напоминает такой процесс зонной плавки, когда плавка проводится с добавкой растворителя для снижения температуры плавления вещества.

Такой вариант перемещения элементов из глубин в земную кору путем зонного выплавления не требует выделения дополнительного количества тепла, необходимого для расплавления того или иного относительно тонкого слоя вещества мантии. Слой плавится при господствующей там температуре за счет снижения температуры плавления добавками, накапливающимися в данном узком слое, ибо в нем господствует критическая температура накапливающейся добавки, играющей роль флюса.

Так же как и при обычной зонной плавке, образовавшийся расплавленный слой будет перемещаться кверху за счет передачи вверх скрытой теплоты вещества, кристаллизующегося на нижней границе слоя.

Вариант зонного выплавления с добавками, снижающими температуру размягчения плавящихся слоев, имеет и то преимущество, что он может объяснить многократность образования расплавленного слоя в одном и том же горизонте. Вещество, которое снижает в данном горизонте температуру плавления по изложенному выше представлению, медленно, но постоянно поступает в данный горизонт из глубины в виде газа в надкритическом состоянии. Когда оно накопится в нужном для расплавления количестве, произойдет расплавление слоя и он начнет свое восходящее движение. Но плавящая добавка и после этого будет поступать из недр и будет вновь накапливаться у изотермы своей критической температуры и со временем опять накопится в количестве, достаточном, чтобы вызвать расплавление. Новый расплавленный слой последует вверх за предыдущим.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.