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

ГЛАВА II

ЭВОЛЮЦИЯ ВЕЩЕСТВА

ВРАЗВИТИИ ЗЕМЛИ

1.ГЛУБИННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Автор полагает, что возникшая внутренняя структура и структура коры Земли — результат внутренней активности планеты. Для раскрытия понятия внутренней активности и выявления свя­ зи ее со структурой тела планеты необходимо рас­ смотреть характер глубинных химических процес­ сов и следствия, из них вытекающие.

Рассмотрим глубинные химические реакции в следующем порядке: время и место течения глу­ бинных реакций; скорость; направление; энергию; дифференциацию глубинного вещества.

Время и место течения глубинных химических реакций

Течение глубинных химических реакций в пла­ нете, а следовательно, и связанная с ними внут­

планетного вещества заключается в том, что все они находятся в твердом фазовом состоянии и для начала их взаимодействия необходимы соответст­ вующие температуры и давление. Иными словами, компоненты планетного вещества взаимодействуют

20

не произвольно, не на любых глубинах, а на тех глубинах и в тех масштабах, которые определяются физическими условиями в недрах планеты.

Поскольку глубинные химические процессы свя­ заны с взаимодействием компонентов первичного вещества, естественно предположить, что местом этих процессов в со,временной Земле является та оболочка, в которой расположено первичное пла­ нетное вещество. Этой оболочкой может быть ниж­

в которой освобождается мощная энергия химиче­ ских процессов. Не случайно, что именно на ниж­ ней границе нижней мантии скорость сейсмических волн падает с 13,6 до 8 км/сек.

Первая реакционная зона Земли. Характер идущих химических реакций в реакционных зонах может и должен быть различным, потому что фи­ зические условия на глубинах 60 (вторая реакци­ онная зона) и 2900 км (первая реакционная зона) очень различны. Можно полагать, что соотношение температуры 3000°С и давления 1,3-10® атм в пер­ вой реакционной зоне способствует ассоциации мо­ лекул, тогда как соотношение температуры 1300°С и давления 0,3-10® атм во второй реакционной зоне Земли (в волноводе верхней мантии) не исключает процессов диссоциации таких молекул, как гидраты окислов металлов. С учетом химической природы главнейших компонентов первичного планетного вещества и физических условий в первой реакци­ онной зоне Земли кажется весьма вероятной окис­ лительно-восстановительная реакция (табл. 2).

Из приведенной схемы химических реакций в первой реакционной зоне Земли вытекает ряд важ­ нейших следствий.

21

зом включается механизм дифференциации веще­ ства.

4. В реакции взаимодействия перекисей метал­ лов, аккумулирующих кислород, с дигидридами ме­ таллов семейства железа, аккумулирующих водо­ род, возникает важнейший планетный продукт — вода!—в количестве 0,8%, или 29,2 Мирового океа­ на. Далее будет показано, что водный режим на Земле предполагает не только большой приход во­ ды, но и ее расход.

5. В окислительно-восстановительных процес­ сах в первой реакционной зоне возникал водород в количестве 1,12%. Где он? Если бы весь этот во­ дород мигрировал в атмосферу и затем диссипировал, то масса Земли уменьшилась бы на 6,7-ІО25 а. Однако есть основания полагать, что запас природ­ ных газов составляет 0,9% всех образовавшихся и что только 0,1% мигрировала из недр Земли в ат­ мосферу. Диссипация водорода могла убавить мас­ су Земли, если принимать во внимание его боль­ шую проницаемость и летучесть, на 3-Ю25 г. Сле­ довательно, первоначальная масса Земли могла равняться не 5,974-ІО27, а 6,01 • ІО27 г.

6. В связи с выделением при химических реакци­ ях энергии 3,8- ІО30 кал (с учетом других реакций — 9-Ю30 кал) можно утверждать, что тепловой режим Земли (при фоновом гравитационном тепле) опре­ деляется в значительной степени энергией глубин­ ных химических реакций.

7. Переход дигидридов металлов в металлы в том количестве, которое следует из уравнения реакции, означает уменьшение объема Земли на0,421027с>и3. Подобный процесс ведет к тому, что тело планеты постепенно деформируется по всему объему. Уча­ стки поверхности опускаются на более низкие уров­ ни, и площадь их уменьшается. При сжатии же

23

планеты уместно говорить не о поднятии и опус­ кании ее поверхности, а только лишь о различной степени опускания поверхностного слоя с образо­ ванием менее низких площадей — континентов и более низких — океанов. Подобные структурные образования на поверхности появляются одновре­ менно с подстилающими слоями верхней мантии. Более низкое опускание океанических секторов со­ провождается разломами планетного тела, по кото­ рым проникает глубинное вещество в верхние зоны.

Таковы основные следствия протекающих на большой глубине Земли окислительно-восстанови­ тельных процессов.

Физические условия, при которых идут глубин­ ные химические реакции, необычны, и с позиций классической химии многое не легко понять. Так, например, хорошо известно, что нагревание гидро­ окисей металлов сопровождается выделением во­

расчетов показал, что гидроокиси металлов при высокой температуре обладают летучестью и стой­ костью. Наблюдается такая последовательность в ряду с понижающейся летучестью: NaOH, КОН,

А1(ОН)3, Si(OH)4, Mg(OH)2, Fe(OH)2. В свете по­ добных свойств представляет особый интерес, вопервых, проявление стойкости глубинной воды потому, что она химически связывается; во-вто­ рых, то, что этот процесс, протекающий в больших масштабах, ведет к уменьшению объема про­ дуктов реакций и, в-третьих, что у окислов крем­ ния, алюминия, магния выявляется дополнительно важная роль — они выполняют роль транспортеров воды.

Вторая реакционная зона Земли. Геофизики фиксируют наличие пластичного вещества на глу­

24

бине 60—200 KM, т. e. между подошвой коры и кров­ лей верхней мантии. В этом слое, названном асте­ носферой, возможно, протекают экзотермические гидролитические реакции по схемам, приведенным в табл. 3.

Ha основании сказанного можно сделать неко­ торые выводы.

1. В астеносфере образуются соединения лег­ ких элементов планеты — метан, аммиак, сероводо­ род, фосфин, нефть (вода). На больших глубинах вода находится в химически связанном состоянии. Если в условиях астеносферы гидроокиси метал­ лов диссоциируют на окислы металлов и свобод­ ную воду, то это является предпосылкой для воз­ никновения гидролитических процессов. Если за

количество газов и соединений легких элементов могло возникнуть в современной Земле. Расчет приведен в приложениях 8 и 10. Из него вытекает, что из 2,21% карбидов, нитридов, сульфидов, фос­ фидов могло возникнуть глубинных газов 0,41%. Расход воды на эти процессы составил 0,64%, или 22 Мировых океана.

25

Качественное и количественное соотношение глубинных газов и паров таково, что они фактиче­ ски могут представлять собой продукты глубинных реакций, а нефизических процессов дегазации.

2.Выделяемые продукты гидролиза в астено­ сфере наряду с выделением энергии гидролитиче­ ских процессов создают условия к переходу веще­ ства астеносферы в пластическое состояние. Сни­ жение скоростей сейсмических волн, возможно, связано с изменением химического состава веще­ ства, а не с фазовым переходом.

3.Течение гидролитических процессов на раз­ личных уровнях астеносферы может идти в различ­ ных направлениях. При пониженных температурах протекает глубинный органический синтез с обра­ зованием метана и других углеводородов и их про­ изводных. В условиях же повышенных температур астеносферы карбиды окисляются до углекислоты.

Скорости течения глубинных химических реакций

Если допустить, что внутренняя активность Земли длится 4,6 млрд, лет и за это время про­ реагировало 60,3% первичного планетного веще­ ства,' то получается, что количество прореагиро­ вавшего вещества в год составляет 8-Ю17 г. Это будет средняя скорость, колебания от которой в ту и в другую сторону совершенно неизбежны. Огра­ ничение свободы контакта в химии твердого тела обусловливают лишь постепенные взаимодействия между компонентами первичного вещества. В со­ ответствии с этим происходят медленное накапли­ вание продуктов реакции и очень умеренное выде­ ление энергии химических реакций. В тех случаях, когда ограничения контакта реагирующих веществ

26

снимаются какими-либо путями, процессы прини­ мают более прогрессивный характер. Постоянно действующий механический фактор, влияющий на скорость процессов, — это вращение планеты. К пе­ ременным механическим факторам следует отне­ сти приливообразующие силы, вызываемые наибо­ лее близкими космическими телами. Снижение на­ капливающихся давлений в очаге происходит пу­ тем прорыва магмы, паров, газов в смежные об­ ласти, что может сопровождаться землетрясениями. Прорывы бывают разные. На небольших глубинах пробивная сила магмы может оказаться достаточ­ ной для того, чтобы этот процесс перерос в вулка­ ническое извержение.

Недоучет подобной природы внутренней актив­ ности Земли порождает определенные трудности в объяснении механизма землетрясений. Так, напри­ мер, Г. Джеффрис (1960) придерживается следую­ щего определения: «Землетрясение — разрыв, воз­ никающий в результате длительных напряжений». В этом определении не выявляется причина, по­ рождающая напряжение, и не объясняется, поче­ му напряжения повторяются и возникают не всю­ ду, а приурочены к определенным глубинам.

В связи с рассматриваемым вопросом В. А. Маг­ ницкий (1965) говорит следующее: «В настоящее время наибольшего внимания заслуживает связь числа землетрясений с годичным обращением Зем­ ли вокруг Солнца. Из всех других зависимостей эта связь проявляется статистически с наибольшей на­ дежностью. Однако природа такой связи, если она действительно есть, остается неясной. Все указан­ ные причины создают напряжение ІО4—ІО5 dunjcM2, между тем как землетрясения возникают при на­ пряжениях по крайней мере на два-три порядка больше. Непонятно, как при таком соотношении

27

указанные причины могут ипрать роль хотя бы спускового механизма».

Независимо от того, знаем ли мы, каким обра­ зом глубинное вещество мигрирует к коре или на поверхность коры, данные процессы существуют. В этом случае глубинное тепло переносится на пе­ риферию планеты. Мощное продвижение магмати­ ческих масс осуществляется по разломам. Скопле­ ние глубинного вещества различными путями и ме­ тодами в верхней мантии и в коре вызывает напряжения и деформации на уровне ІО4— ІО5 динісм2. В связи же с годичным обращением Земли вокруг Солнца создаются дополнительные деформации и напряжения, так как поверхность Земли, обращенная к Солнцу, стремится принять грушеобразную форму. Это ведет к тому, что, мо­ жет быть, по всей глубине коры и верхней мантии до велновода активизируются процессы продвиже­ ния вверх магматических масс глубинного вещества.

Направления глубинных химических реакций

Глубинные химические реакции в зависимости от температуры могут протекать в различных на­ правлениях. Весьма убедительным примером это­

лена. С повышением же температуры выход угле­ водорода снижается, а выход углекислоты повы­ шается. При 450° С гидролиз карбида кальция про­ текает исключительно с образованием углекислоты. Следовательно, гидролиз карбида кальция в зави-

28