Переходная зона, нижняя мантия и земное ядро

При изучении переходной зоны, нижней мантии и ядра большое значение наряду с сейсмическими данными имеет использование ультразвуковых и ударно-взрывных волн. Гипотезы о составе нижней мантии и ядра в ещё большей степени, чем гипотезы о составе верхней мантии, основаны на данных о метеоритах. Полагали, что метеориты представляют собой осколки планеты, причём железные метеориты образовались из её ядра, а каменные – из мантии.

Переходная зона (слой C), вероятно, также имеет силикатный состав. Её большую плотность объясняют фазовыми превращениями – образованием минералов с более плотной упаковкой (стишовита, шпинели, периклаза и др.). Предполагают, что и нижняя мантия (слой D) имеет силикатно-окисный состав. По элементарному составу её обычно сравнивают с каменными метеоритами, в которых наиболее распространены следующие элементы:

Кислород – 35

Железо – 25

Кремний – 18

Магний – 14

Сера – 2,0

Алюминий – 1,3

Кальций – 1,40

Никель – 1,35

Натрий – 0,7

Хром – 0,25

Марганец – 0,20ооо

Σ=99,2%

Если верна гипотеза о сходстве состава нижней мантии с каменными метеоритами, то нижняя мантия сильно отличается от земной коры, хотя в ней всё ещё преобладает кислород. Второе место в составе нижней мантии занимает железо и лишь третье место – кремний. Высоки кларки магния, никеля, серы, сравнительно малы – кальция и алюминия.

По сейсмическим данным большая часть земного ядра находится в жидком состоянии (внешнее ядро) и только на глубинах более 5100км залегает твёрдое внутреннее ядро с плотностью около 12–13г/см³. В основе гипотезы о железо-никелевом ядре Земли лежит предположение о близости состава ядра к составу железных метеоритов. Последние содержат в среднем 80,78% Fe, 8,59% Ni и 0,63% Co.

Эксперименты при высоких давлениях, отвечающих ядру Земли (более 2,5·10¹¹Па), показали, что сплав, состоящий из 90% Fe и 10% Ni, имеет свойства, близкие к свойствам земного ядра, определённым геофизическими методами. Отличие состоит в несколько большей плотности этого сплава и несколько меньшей скорости распространения упругих волн. В связи с этим считают, что в ядре имеется примесь лёгких элементов – кремния, серы, алюминия, кислорода.

На основе различных космогонических и прочих данных (господство водорода в космосе и др.) развиваются также представления о гидридном и карбидном ядре Земли. По этой гипотезе внутреннее твёрдое ядро состоит из гидридов и карбидов. Во внешнем ядре происходит их разложение с образованием свободных металлов (Fe, Ni, Co), водорода и метана, которые мигрируют в мантию и определяют развитие там восстановительных процессов. В нижней мантии господствуют свободные металлы или же они сосуществуют с силикатами и окислами. Водород и метан проникают и в земную кору (В.Н.Ларин, Н.П.Семененко).

А.Ф.Капустинскйй предполагал, что в земном ядре вследствие огромного давления нарушается электронная структура атомов, исчезает их химическая индивидуальность и все элементы приобретают одинаковые свойства (вещество состоит из ядер атомов, находящихся в электронной плазме, общей для всех ядер). Подобное состояние вещества определяет однообразие земного ядра, отсутствие различий между химическими элементами. Это зона "нулевого химизма", "центросфера".

В мантии под влияние сильного давления изменяются химические свойства атомов, так как электроны переходят на незаполненные внутренние орбиты. Это зона "вырожденного химизма", или "интерсфера" (вещество близко к металлическому состоянию, хотя и имеет силикатный состав).

Химические свойства элементов, соответствующие их положению в периодической системе, проявляются только в зоне "нормального химизма", или "перисфере", отвечающей земной коре и верхам мантии.

Средний состав Земли. Геофизические данные о строении Земли (кора, мантия, ядро), сведения о средней плотности нашей планеты, о составе метеоритов позволили рассчитать гипотетические кларки Земли в целом. Исходное вещество Земли принимают близким к хондритам. По В.Рама-Мурти и Г.Холлу, наиболее вероятно, что состав Земли соответствует смеси 40% материала типа углеродистых хондритов, 50% обычных хондритов, 10% железных метеоритов.

По расчётам американского геохимика Б.Мейсона Земля в основном состоит из четырёх элементов, среди которых преобладает железо (35%). Кислород занимает второе место (30%), кремний – третье (15%), магний – четвёртое (13%). В сумме первые четыре элемента дают 93% состава Земли. Далее следуют никель (2,4), сера (1,9), кальций (1,1), алюминий (1,1) и натрий (0,57%).

Луна. Изучение Луны вступило в такую стадию, что можно уже говорить о геохимии Луны. Ценная информация получена с помощью аппаратов, совершивших мягкую посадку на поверхность Луны («Луна-16, 20», «Аполлон-11, 12» и др.) и доставивших на Землю лунные породы.

85% лунной поверхности составляют так называемые материки и лишь 15 % – моря. Материковые породы представляют собой брекчии, состоящие из обломков анортозитов, троктолитов и норитов, в меньшей степени базальтов. Характерна микропримесь метеоритного вещества. Породы образовались из расплава и в дальнейшем испытали удары метеоритов, вызвавшие их раздробление, а возможно и частичное плавление (базальты). Материковые породы формировались в сильно восстановительных условиях (в них обнаружено самородное железо). Характерен дефицит летучих компонентов, в частности отсутствие минералов, содержащих воду и СО₂. Возраст пород очень древний – 4,4-4,6млрд. лет (но есть и более молодые – 3,9-4,1).

Лунные моря сложены базальтами, излияния которых происходили 3,8-3,1, возможно, 2млрд. лет назад. По составу они в общем сходны с земными базальтами, отличаются от них меньшим содержанием трехвалентного железа и летучих компонентов (Н₂О, СО₂).

У Луны нет гранитного слоя и, конечно, нет осадочных пород, так как там отсутствуют атмосфера и гидросфера. На поверхности Луны имеется слой мелкозема – так называемый реголит. Космические лучи, достигая поверхности Луны, осуществляют в реголите ядерные реакции. Так, в нем обнаружены изотопы гелия ³Не, неона ²⁰Ne, натрия ²²Na, алюминия ²⁶Al. Возможно, что с действием космических лучей связано и присутствие в поверхностном слое реголита следов железа, алюминия, кремния и титана в восстановленной (элементарной) форме.

В целом Луна значительно менее дифференцированное небесное тело, чем Земля. Её средняя плотность равна 3,34г/см³, плотность поверхностных пород – 3,1-3,2г/см³.

Звёзды. Спектральный анализ позволил определить химический состав звезд, в том числе Солнца. На поверхности Солнца при температуре около 6000⁰С существуют атомы и даже некоторые молекулы и радикалы – O₂, С₂, ОН, СН, MgF, CN, SrF и т.д. Всего в спектре солнечной атмосферы открыто до 72 элементов, среди которых абсолютно преобладают водород и гелий.

В центральных частях звёзд высокие температуры сочетаются с высокими давлениями. Это определяет особые формы существования вещества. Так, в центре Солнца температура колеблется около 10⁷К, а давление достигает 10¹⁶Па. В этих условиях вещество состоит из голых атомных ядер и свободных электронов, т.е. представляет собой полностью ионизированную плазму. В центре звезд-гигантов температура достигает 10⁸К. В целом для звезд характерно электронно-ядерное состояние вещества. Теоретически возможно и нейтронное состояние с ядерной плотностью. Возможно, что к таким нейтронным звёздам относятся пульсары (источники мощного пульсирующего радиоизлучения).

Полагают, что в центральных частях звёзд при высоких температурах и давлениях происходит синтез атомных ядер, т.е. протекают ядерные реакции. За счет «сгорания» ядер водорода возникают ядра гелия, причём в этой реакции участвуют ядра углерода и азота. В результате подобного «цикла Бете» (по имени предложившего его американского физика) при синтезе 4г гелия выделяется 3·10¹²Дж энергии. Эта реакция – один из возможных источников солнечной энергии.

Ядра тяжелых элементов, вероятно, возникают в результате различных реакций:

Таким образом, в химическом отношении звёзды являются довольно простыми системами. Доступная для изучения часть Вселенной имеет в основном водородно-гелиевый состав. Космохимия оказалась однообразнее и, пожалуй, проще геохимии.

Примечание: Состав планет – дать для самостоятельной проработки