Файл: Кесарев, В. В. Эволюция вещества Вселенной.pdf

сокими давлениями? перепады плотностей по глу­ бине возникают в связи с изменениями химическо­ го состава веществ или же являются фазовыми переходами?

Поскольку Земля по своей природе — явление химико-физическое, а представленная модель Гу­ тенберга—Буллена имеет чисто физический харак­ тер, автор сделал попытку «охимизировать» эту модель (1967) (приложение 1). В основу построе­ ния химической модели положен принцип, соглас­ но которому химический состав различных слоев находит свое отражение в составе определенных классов метеоритов. При этом, следуя за В. Гольд­ шмидтом и Г. Юри, естественно было принять, что железные метеориты отражают состав ядра плане­

слоя между ядром и нижней мантией. При таком распределении вещества обнаруживается общая тенденция снижения содержания с глубиной кисло­ рода, кремния, щелочных металлов и, наоборот, увеличения содержания с глубиной железа, никеля.

При построении подобной модели остается от­ крытым вопрос о составе вещества нижней мантии. Масса этого слоя толщиной в интервале от глубины 1000 км до глубины 2900 км должна была бы най­ ти свое отражение в метеоритах. Может быть, при­ рода вещества этого слоя такова, что данная по­ становка вопроса неуместна. В свете общей тенден­ ции распределения вещества с глубиной кажется вероятным, что состав вещества нижней мантии ближе всего отвечает составу железо-каменных метеоритов. Возможно, что на границе с ядром идут процессы, в которых вещество нижней мантии теряет легкоплавкие соединения и переходит в ве­ щество с железо-каменным составом. Отсюда сле-

12

дует, что для воспроизведения состава нижнеи ман­ тии необходимо состав железо-каменных метеори­ тов дополнить легкоплавкими соединениями. По­ добная процедура была проделана автором (1967). Вначале находился средний состав изверженных пород и железных метеоритов в их отношении 1 : 1,14, которое следует из масс верхней мантии с корой, с одной стороны, и массы ядра — с другой. Полученный результат приводится в приложе­ нии 2. Данные о составе изверженных пород при­ нимались по Кларку (1924), железных метеори­ тов— ио Е. Л. Кринову (1955).

Далее отдельно рассчитывался средний состав

близкого подхода к первичному веществу необхо­ димо было найти среднее значение между двумя усредненными результатами, приведенными в при­ ложениях 2 и 3 (приложение 4). Полученный сред­ ний состав на основе двух усредненных еще не яв­ ляется первичным, потому что в нем не отражены легкие элементы, которые не удерживались ни в изверженных породах, ни в метеоритах. Рассмот­ рение химических свойств металлов со средним составом позволяет предполагать, что щелочные металлы в первичном веществе (приложение 5) вы­ полняли роль аккумуляторов кислорода в виде пе­ рекисей, металлы семейства железа —роль акку­ муляторов водорода в виде дигидридов. Кроме то­ го, железо могло участвовать в виде наиболее устойчивых соединений — карбида, сульфида, фос­ фида, титан — в виде карбида и нитрида, хром — в виде нитрида, марганец — в виде карбида. Некото­ рые показатели приведенных компонентов первич­ ного вещества сведены в таблицу (приложение 6).

13

Теперь, когда намечены конкретные компонен­ ты, входящие в состав первичного вещества, пред­ ставляется возможным перейти к количественным соотношениям этих компонентов. В основу расчета может быть положен средний состав, приведенный в приложении 4. В этом приложении металлы се­ мейства железа должны быть заменены гидрида­ ми этих металлов, окислы металлов железа, тита­ на, хрома — соответствующими карбидами, нитри­ дами, сульфидами, фосфидами. Окислы щелочных металлов и кальция заменяются соответствующими перекисями. В результате такой замены общее ко­ личество компонентов получается равным 103%. Последующим пересчетом к 100% получаем окон­ чательный результат состава первичного вещества, приведенного в приложении 5. По осколкам, обра­ зующимся при распаде целого, рассчитан вероят­ ный состав этого целого.

2. ПЕРВИЧНОЕ ПЛАНЕТНОЕ ВЕЩЕСТВО

Вероятное первичное вещество представляет со­ бой смесь двухкомпонеятных химических соедине­ ний (%):

Итого....................................... 100,00

Содержание металлов в соединениях составля­

14

Состав химических соединений может быть вы­ ражен в массовых частях (мае. ч.). Тогда на 1 мае. ч. нитридов металлов приходится 4 мае. ч. фосфи­ дов и сульфидов металлов, 7 мае. ч. карбидов ме­ таллов, 17 мае. ч. перекисей металлов, 119 мае. ч. окислов металлов и 184 мае. ч. гидридов металлов. Состав цротовещества может быть выражен в эле­ ментах (приложение 7).

В физическом плане все компоненты первично­ го планетного вещества (см. приложение 6) пред­ ставляют собой твердые соединения. Средняя плот­ ность определяется плотностью дигидрида желе­ за— 2,9 г/елг3, остальные компоненты имеют плот­ ность и выше и ниже средней плотности. Большин­ ство компонентов относится к эндотермическим соединениям, тогда как окислы кремния, алюминия, магния (они составляют 35,8%) являются экзотер­ мическими.

В химическом плане компоненты первичного планетного вещества могут быть охарактеризова­ ны как аккумуляторы водорода (БеНг) —восстано­ вители, другие компоненты — как аккумуляторы кислорода (СаОг)—окислители. Окислы кремния, алюминия, магния относятся к химически инерт­ ным веществам. В таком соотношении различных компонентов заложен глубокий химический смысл. Первичное планетное вещество можно рассматри­ вать как двухкомпонентное топливо. В нем гидри­ ды металлов играют роль горючего, перекиси ме­ таллов— роль окислителя, окислы кремния, алю­ миния, магния — роль дефлегматоров, а карбиды и нитриды металлов выступают в качестве иници­ ирующих добавок к топливу.

Особая черта этого топлива заключается в том, что при обычных условиях твердые компоненты не взаимодействуют друг с другом, но если они ока-

15

зываются на глубинах космических тел при высо­ ких температурах и давлениях, порождаемых анер­ гией гравитации, то становятся способными взаимо­ действовать и обеспечивать течение глубинных хи­ мических процессов. Молодое космическое тело, сформировавшееся как однородное, свободное от зон, сфер, газов и жидкостей, с началом глубинных химических реакций вступает в стадию существова­ ния с внутренней активностью. Эта стадия характе­ ризуется нарушением однородности в связи с на­ коплением продуктов глубинных реакций, с про­ движением их вверх, с переносом тепла и форми­ рованием зон и сфер. Под влиянием приливных сил, вызываемых приближением других космических тел, горение топлива может принять такой харак­ тер, что дефлегматоры топлива не в состоянии бу­ дут удержать планету от катастрофы. Все явления, наблюдаемые на поверхности планет,— тектогенез коры, вулканическая деятельность, изменения об­

занной с течением глубинных химических процес­ сов.

Как будет далее показано, первичное планетное вещество в своем неизменном виде может нахо­ диться в нижней мантии Земли, продукты же его

окислов кремния, алюминия, магния и других ком­ понентов.

3. ЭВОЛЮЦИЯ ВЕЩЕСТВА — ЭВОЛЮЦИЯ ПЛАНЕТЫ

Можно полагать, что с началом химических про­ цессов в недрах планеты начинается ее эволюция. Такие окислительно-восстановительные процессы

16

взаимодействия компонентов первичного вещества (например, гидридов металлов с пероксидами) ве­ дут к продуктам распада первичного вещества по схеме

Mei I. МеО. Me + МеО + HSO.

Если в условиях космического пространства ве­ ществу сообщается химический потенциал, то в условиях конденсированных тел вещество разря­ жается и снижает свой потенциал. Если реакции упомянутого типа— реальность, то можно пола­ гать, что вначале на планете воды, металлов и некоторых окислов металлов не было, но они по­

карбидами, нитридами, сульфидами — ведет к воз­ никновению природных и вулканических газов по схеме

МеС + 2Н2О — MeO + CH«; 2MeN +

-!г ЗН2О — Ме.О, + 2NH,; МеС + ЗН2О — МеО -ф + СО2 4 Н2; 2MeN + 2Н2О — 2МеО 4 N. + 2Нг.

По мере течения глубинных химических реакций накапливаются твердые, жидкие, газообразные продукты, дифференцируясь с формированием пла­ нетных зон и сфер. Металлы формируют ядро, окислы металлов — верхнюю мантию, более плав­ кие окислы металлов вместе с жидкими (водой и нефтью) и газообразными продуктами — земную кору, в том числе гидросферу и атмосферу. Массы планетных зон и сфер далеко не произвольны: они находятся в совершенно определенных химико-эк­ вивалентных отношениях. В современной Земле первичное планетное вещество, заключенное в ниж­

ней мантии, составляет 39,7%, а 60,3% земной мас­ сы— продукты распада первичного вещества. Если масса ядра оценивается в 31,5%, то масса верхней мантии с корой — 28,8%—должна следовать из уравнений химических реакций, так как она яв­ ляется химически эквивалентной металлам, форми­ рующим земное ядро. О происхождении земного ядра нет единого мнения: его считают и силикат­ ным ядром, и ядром первичного образования, и ядром, образовавшимся в результате развития Зем­ ли (Ю. Н. Ефремов, 1971).

4. МОЛОДАЯ ЗЕМЛЯ

Если наши основные предпосылки верны, то возможны два крайних случая состояния планеты: первый — планета находится в начальной стадии своей внутренней активности, являясь носительни­ цей только первичного планетного вещества; вто­ рой— внутренняя активность планеты угасла в свя­

Следовательно, различия в состояниях планет в этих крайних случаях вытекают из различия фи­ зико-химических свойств первичного вещества и продуктов его распада. Современная Земля по сво­ им показателям занимает положение в промежутке между крайними положениями, и эти показатели отражают отношение в ее составе продуктов рас­ пада к первичному веществу (приложение 8). Ис­ ходя из подобных предпосылок, рассчитаем показа­ тели молодой Земли. Образование в Земле желез­ ного ядра с массой 31,5%, или 1,881027г с плот­ ностью* 7,9 гісм3, стало возможным при распаде

* Без учета сжатия.

18

1,951027a дигадрида железа с плотностью 2,9а/сл<3. В результате этого процесса объем Земли умень­ шился на 0,42-ІО27 см3. Если объем современной Земли равен 1,08-ІО27 см3, то объем молодой Зем­ ли мог составлять 1,50-ІО27 см3. Общая масса мо­ лодой Земли могла быть несколько больше совре­ менной, так как, по расчетам автора (1967), убыль массы за счет диссипации водорода может быть оценена в 0,036-ІО27 г. Масса современной Земли равна 5,974-1027г, следовательно, масса молодой Земли могла составлять 6,01-ІО27 г. Исходя из по­ лученных показателей массы и объема молодой Земли, можно рассчитать и другие ее показатели: оказалось, что радиус молодой Земли — 7150 км — был больше современного на 780 км, а средняя плотность, равная 3,84 гісм3, меньше современной на 1.68 гісм3.

Представление о молодой Земле, вытекающее из первичного вещества, приобретает особое значе­ ние в свете существования проблем, связанных с тектогенезом земной коры. Столкновение различ­ ных взглядов по этой проблеме возникает потому, что до сих пор происхождение сил, порождающих не только ломку коры, но и общий тектогенез пла­ неты, оставалось дискуссионным. Следует признать, что уменьшение объема, связанное с течением хи­ мических процессов на границе ядра, — могучая си­ ла, способная вызвать не только тектогенез пла­ неты, но и ее катастрофу, если отвод «лишнего» тепла не будет достаточно эффективен.

2*