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

симости от Температуры идет в Двух напрайлениях: в углеводородном и в углекислом. Прій промежу­ точных температурах процесс одновременно проте­ кает в том и другом направлениях.

Надо полагать, что и на глубине при определен­ ных соотношениях температур и давления процесс гидролиза идет в том или в другом направлении или же одновременно в том и в другом. При гид­ ролизе карбидов, нитридов, фосфидов, сульфидов метан, аммиак, фосфин, сероводород могут обра­ зовываться при минимальных значениях соотноше­ ния температуры и давления. При максимальных значениях соотношения температуры и давления при гидролизе должны возникать не гидриды ме­ таллоидов, а сами металлоиды или их окислы — углекислота и графит, азот и окислы азота, фосфор и окислы фосфора, сера и сернистый газ. При про­ межуточных значениях соотношения появляются газы того и другого направления гидролиза одно­

Если иметь в виду, что природные газы образу­ ются в астеносфере при таком разнообразии по со­ ставу и что эти газы по пути от волновода через всю толщу коры мигрируют вначале вместе с во­ дой, нефтью, различными попутными примесями в виде магмы, суспензий, эмульсий, растворов и в различной степени дегазируются из этих сложных систем, то становится ясно, почему такое разнооб­ разие по составу наблюдается у глубинных газов, появляющихся на планетной поверхности. Нет не­ обходимости это разнообразие по составу объяс­

29

нять изменениями газов в коре. Если глубинные газы проявили достаточную химическую стойкость в волноводе, то тем более это свойство они сохра­ нят в более мягких условиях коры.

Энергия глубинных химических реакций

Распределение температур в Земле зависит в значительной степени от интенсивности источников энергии и их распределения по всей планете. В на­ стоящее время все авторы, касающиеся этой проб­ лемы, оценивают энергию радиоактивного распада как главный источник тепла на Земле, хотя мы до сих пор не имеем сведений о распределении радио­ активных веществ на разных глубинах Земли.

Из радиохимических анализов различных по­ род, а также из анализов метеоритов вытекает, что наибольшая концентрация радиоактивных веществ достигается в гранитном слое земной коры. Это яв­ ление легко понять в свете высокой миграции к по­ верхности Земли легкоплавких соединений. Имен­ но, к ним относятся многие соединения урана. С учетом того положения, что повышенная кон­ центрация радиоактивных веществ приходится на кору, следовало бы ожидать проявления внутрен­ ней активности Земли не в мантии, а в коре.

Далее, если предположить, что поток тепла че­ рез континентальную кору определяется наличием в коре повышенных концентраций радиоактивных веществ, то поток тепла через океаническую кору должен быть слабее, поскольку в океанической ко­ ре нет гранитного слоя. Однако опытные наблю­ дения не подтверждают этого положения. По дан­ ным определения тепловых потоков в пяти пунктах Северной Атлантики и шести пунктах на севере Тихого океана, среднее значение теплового потока

30

очень близко к континентальному (И. Верхуген, 1958) *.

Известно, что глубинные процессы имеют оча­ говый характер. Если такой характер процессов на глубине определяется повышенной концентрацией радиоактивных веществ, то при вулканических из­ вержениях наблюдался бы повышенный радио­ активный фон с повышенной концентрацией радиоактивных веществ в изверженных породах. В действительности подобные явления не отмеча­ ются. Продукты вулканических извержений не не­ сут на себе сколько-нибудь заметных следов ра­ диоактивного влияния. С радиоактивностью не вяжутся географическое расположение очагов ак­ тивности, периодические повторяемости их повы­ шенной активности.

Расчеты энергий глубинных химических реакций показывают следующее. При образовании 31,5% металлического железа освободилось энергии 3,78-ІО30 кал, при образовании 0,8% воды — 0,17Х ХІО30 кал, при образовании 5,6% алюмосиликатов калия (КгО-А120з ■ 6SiO2, £=131,2 ккал/мол)—

0,31-ІО30 кал. Этот перечень далеко не полный. Общий выход энергии глубинных химических про­ цессов, вероятно, будет порядка 4,5-ІО30 кал. По Е. Н. Люстиху, потери тепла Землей путем тепло­ проводности составляют примерно 4■ ІО20 кал!год. Если считать это число, характерное лишь для со­ временной Земли, средним значением, то за 5 млрд, лет внутренней активности потери тепла Землей составят 2- ІО30 кал. Если принять во внима­ ние условное значение среднего показателя, то расход энергии в общем согласуется с ее приходом.

* Следовательно, тепловые потоки как в континенталь­ ной, так и в океанической коре определяются не радиогенной энергией.

31

«Приход» в Земле энергии глубинных химиче­ ских реакций велик, и, возможно, этой энергией определяются тепловой режим Земли и дифферен­ циация ее вещества. Основные источники тепла в Земле расположены в первой и второй реакци­ онных зонах. Вещество Земли (60,3%) прошло че­ рез реакционные зоны, в которых оно доходило до пластического состояния с последующей кристал­ лизацией. Такой механизм прохождения вещества в недрах Земли порождал впечатление, что сама Земля была когда-то в расплавленном состоянии и затем постепенно при остывании кристаллизова­ лась. Такой именно точки зрения придерживались Б. Гутенберг (1949), а затем Г. Джеффрис (1960): «С моей точки зрения, решающим доводом в поль­ зу некогда жидкой Земли является наличие гра­ нитного слоя и сосредоточение радиоактивных ве­ ществ в сравнительно тонком слое близ поверхно­ сти».

Нам представляется, что Земля никогда не бы­ ла в жидком состоянии, тем не менее ее вещество в значительной степени прошло через «горнило» реакционных зон Земли.

Нам также представляется, что автор извест­ ной космогонической концепции В. А. Крат (1961) прав, когда говорит: «Земля никогда не была в расплавленном состоянии, но практически каждая ее часть в различные эпохи подвергалась расплав­ лению».

Дифференциация глубинного вещества

Существование в теле Земли реакционных зон, выделяющих энергию химических реакций, поро­ ждает перепад температур. Это приводит в движе­ ние мощнейший механизм дифференциации веще-

32

ства в планете. Летучие и легкоплавкие продукты, покидая реакционные зоны, стремятся проникнуть вверх, перенося с собой тепло реакций. При отдаче тепла и охлаждении легкоплавкие магмы кристал­ лизуются и формируют все новые и новые слои. В начальных стадиях остывания расплава веще­ ство перераспределяется на фракции с температу­ рами плавления в широком диапазоне. Примером могут служить составы железо-каменных метеори­ тов, в которых сочетаются металлы с окислами ме­ таллов. В последующих стадиях остывания сплава возникают фракции с температурами плавления в более узких пределах. Путем моделирования мож­ но представить, как из 2,11 мае. ч. материнского состава — палласита — с содержанием железа 55,3% образуются 1 мае. ч. вещества состава же­ лезного метеорита с содержанием железа 90,67%, и 1,11 мае. ч. вещества состава каменного метео­ рита с содержанием железа 22,94%. Подобные рас­ слоения материнских веществ на составные были экспериментально подтверждены зонной плавкой (В. А. Магницкий, 1964).

Слоистое строение Земли наталкивает на мысль построения моделей Земли на основе соответствую­ щего чередования вдоль радиуса составов, отве­ чающих составам определенных классов метеори­ тов. Длительная история этого вопроса характе­ ризуется большим числом попыток построения моделей Земли. В свете концепции автора откры­ ваются некоторые новые возможности построения химической модели Земли.

В модели Земли, предложенной автором (см. приложение 1), слои и подслои земных оболочек, исключая кору, названы классами и пруппами ме­ теоритов, а слой нижней мантии — кометным, по­ скольку, по мнению автора, кометы, возможно, име-

ют состав первичного планетного вещества. Метео­ ритный состав дан по литературным источникам (Е. Л. Кринов, 1955; Мэйсон, 1965). Показатели скоростей сейсмических волн в основном приняты по А. А. Люкку и И. Л. Нерсесову (В. А. Магниц­ кий, 1965).

Ниже изложены общие соображения о распре­ делении вещества Земли по глубине и каждому слою приписан состав, аналогичный составу той или иной разновидности метеоритов. Отнесение тектитов к метеоритам весьма условно, но, следуя логике предлагаемой химической модели Земли, можно считать, что на границе волновода с манти­ ей должно быть вещество тектитного состава.

Различные по составу вещества, расположенные на разных глубинах, одновременно находятся и в резко различных условиях по температуре, давле­ нию и содержанию воды. Предположим, что струк­ тура и состав каменных и железных метеоритов в определенной степени отражают различия в кри­ сталлической структуре веществ планеты. Структу­ ра вещества железных метеоритов, по мнению не­ которых авторов, в отличие от каменных, характе­ ризуется медленной кристаллизацией. Более тонкое различие в структуре вещества проявляется в ка­ менных метеоритах. Хондриты отличаются от ахон­ дритов наличием в их структуре хондр. Кристалли­ ческая структура углистых метеоритов имеет переходный характер. Они характеризуются сосу­ ществованием двух минеральных ассоциаций: низ­ ко- и высокотемпературной. Среди материалов, от­ несенных к классу хондритов, встречаются и метео­ риты, не имеющие хондр. Это явление объяснимо, если предположить, что в родительском теле ме­ теоритов (и, возможно, в Земле) углистый подслой был расположен на границе с ахондритовым слоем.

34

Верхняя граница расположения никелистого же­ леза в Земле начинается на глубине 200 км — с оли- вин-пижонитового подслоя хондритового слоя. В физико-химической модели Земли (ем. приложе­ ние 1) для оліивин-пижонитового подслоя приведе­ ны два столбца цифр: один для 12 известных ме­ теоритов (хондритов), другой для трех метеоритов, на наш взгляд, ошибочно отнесенных к ахондри­ там. В этих трех метеоритах содержание никели­ стого железа отвечает не ахондритам, а хондритам, отсутствие же у них хондр может быть объяснено

близостью ОЛІИВИН-ПИЖОНИТОВОГО подслоя к ахонд-

ритовому слою. Оснований для причисления трех упомянутых метеоритов к хондритам имеется не меньше тех, по которым углистые метеориты без хондр причисляются к хондритам.

С ростом глубины содержание в земном вещест­ ве никелистого железа планомерно увеличивается, достигая максимального значения в гексаэдрическом подслое железного слоя. С дальнейшим углуб­ лением в железный слой компоненты никелистого железа перераспределяются: увеличивается содер­ жание никеля за счет уменьшения железа. Со­ держание никеля в атакситах иногда достига­ ет 60%.

Содержание закиси железа в оливин-пижонито- вом подслое хондритового слоя довольно большое, а в углистом подслое содержание закиси железа имеет максимальное значение 27%. Это, вероятно, достигается перераспределением вещества в смеж­ ный тектитовый подслой. От углистого подслоя вверх и вниз понижается содержание закиси желе­ за. Резкий скачок обнаруживается на верхней гра­ нице мантии: содержание закиси железа с 17%і в мантии падает до 10% в базальтовом слое и до 5% в осадочном слое.

При высоком содержании двуокиси кремния ВО всех слоях мантии' имеется определенная тенден­ ция увеличения ее количества с уменьшением глу­ бины. В осадочіном слое коры содержание двуоки­ си кремния достигает максимального значения — 70%. В двух подслоях волновода — углистом и тек­ титовом— двуокись кремния перераспределилась. За счет снижения содержания двуокиси кремния в углистом подслое увеличивается ее содержание в тектитовом подслое.

При очень незначительном содержании окиси алюминия во многих подслоях верхней мантии ее концентрация резко увеличивается во всех слоях коры. Тектитавый слой в этом случае отличается тем, что в нем содержание окиси алюминия нахо­ дится на уровне осадочного слоя коры.

Картина распределения окиси магния во многом напоминает ту, которая наблюдалась с закисью железа. Концентрация окиси магния достигает больших значений (36%) в оливин-пижонитовом подслое, вверх и вниз от него она снижается. В ниж­ ней мантии, на границе с корой, окиси магния содер­ жится 20%, а в коре ее концентрация резко падает: в базальтовом слое до 6%, в осадочном — до 1%. Окись магния и в волноводе перераспределяется: концентрация ее увеличивается в углистом подслое за счет снижения в тектитовом подслое.

Высокое содержание окиси кальция приурочено к ахондритовому слою. От него вверх и вниз со­ держание окиси кальция снижается.

Невысокие концентрации окислов щелочных металлов по многим подслоям верхней мантии со­ четаются с довольно высоким содержанием в коре и тектитовом подслое. Обращает на себя внимание повышенное содержание этих окислов в хондритовоім слое по сравнению с ахондритовым. Тектито-

36

вый подслой обогатился щелочными металлами 3á счет обеднения ими ахондритового слоя.

Для распределения легких элементов и их со­ единений, как и для распределения щелочных ме­ таллов, характерны два оптимума — в коре и в углистом подслое. В энстатитовом подслое хондри­ тового слоя углерод, азот, фосфор, сера находятся в соединениях, сохраняя свою низкую валентность. Концентрации этих элементов в энстатитовом под­ слое очень близки (или даже совпадают) к тем, которые следуют из среднего состава верхней ман­ тии. По мере продвижения вверх концентрация легких элементов и форма их существования резко меняются. Все эти накапливающиеся изменения наиболее яркое выражение находят в углистом подслое. Здесь обнаруживается до 5% углерода

ввиде высокомолекулярных соединений — углево­ дородов и их гетеропроизводных, а также графита, алмаза, карбонатов кальция, магния, железа. Кон­ центрация азота достигает 0,29%, присутствует он

ввиде производных углеводородов и аммонийных солей. Содержание серы равно 6,6%, из них 1% свободной серы, остальное — сульфопроиэводные и сульфаты (гипс, эпсомит). Содержание фосфора составляет 0,13%, форма существования —фосфа­ ты. Содержание воды в углистых метеоритах вели­ ко. В отдельных случаях содержание воды доходит до 20%. Немалое количество воды находится в

связанном состоянии, если иметь в виду наличие в углистых хондритах гидратных форм солей: гип­ са, зпсомита, серпентина. На молекулу сульфата кальция приходится две молекулы воды, на моле­ кулу сульфата магния — семь молекул воды, на молекулу серпентина — четыре молекулы воды.

Важно отметить, что в углистом подслое впер­ вые обнаруживаются соединения элементов высшей

37