1.4. Агрегатное состояние вещества и химический состав геосфер

Слова и словосочетания

астеносфера	состав мантии
земная кора	состав ядра Земли
каменные метеориты	стишовит
мантия Земли	термодинамические условия
метеориты	эклогит
силикатный состав

Изучение химического состава Земли и ее внутреннего строения представляет весьма трудную задачу. Если о структуре недр планеты можно судить по распространению сейсмических волн, то определение химического состава Земли требует прямого изучения образцов вещества различных геосфер. В настоящее время прямому исследованию доступны лишь породы земной коры до глубины 15–20 км, а также излившиеся на поверхность продукты вулканических извержений. изучение состава внутренних геосфер невозможно без учета термодинамических условий (высоких температур и давления) и их влияния на свойства вещества. С учетом этих условий в геологии господствуют две точки зрения в вопросе о составе внутренних оболочек Земли. Первая была высказана точка зрения о гетерогенном составе внутренних геосфер. Вещество верхней мантии представлено ультраосновными породами, а ядро имеет железоникелевый состав. позже была высказана идея об однородном строении Земли. Сторонники этой точки зрения полагают, что у всех геосфер планеты имеется силикатный состав. Резкая смена физических свойств на границах геосфер связывается с фазовыми переходами вещества, которое при высоких давлениях и температурах может приобретать свойства жидкостей и металлов.

Земная кора. Вещество земной коры, которая сложена различными горными породами, находится в твердом состоянии, так как температура здесь не достигает точки плавления (рис. 7). Однако на глубинах 15–20 км внутри земной коры сейсмологи отмечают участки (напоминающие астеносферный слой), с которыми, вероятно, и связано формирование магматических очагов гранитной магмы.

Мантия Земли. Эта геосфера является самым крупным элементом планеты. Она занимает 83% ее объема и составляет около 66% ее массы. По геофизическим данным в ее составе выделяется несколько границ раздела, залегающих на глубинах 410, 950 и 2700 км. Вещество мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, через него проходят как продольные, так и поперечные волны. И только в слое В выделяются слои с пониженными скоростями сейсмических волн, (астеносфера), в которой вещество может быть в аморфном стекловидном или даже в расплавленном (до 10%) состоянии.

Геофизические данные последних лет указывают на неоднородность и расслоенность астеносферы и наличие очагов магмы, которые возникают на различных уровнях астеносферного слоя.

С остав мантии сложный и неоднородный в различных слоях. Прямые, но неполные данные имеются лишь о составе слоя В, он распространен до глубин 400 км. К этим данным относятся: 1) отдельные выходы на поверхность континентов ультраосновных магматических пород, главным образом перидотитов; 2) наличие включений ультраосновных пород в базальтовых лавах вулканов; 3) состав пород, собранных путем драгирования в океанских зонах разломов; 4) состав пород, слагающих алмазоносные кимберлитовые трубки на континентах; 5) состав каменных метеоритов (рис. 11). Важное значение имеют экспериментальные исследования минералов и горных пород при высоких температурах и давлениях. Основываясь на всех этих данных, большинство исследователей считают, что верхняя мантия состоит из ультраосновных магматических пород – перидотитов. Их главными минералами являются оливин, пироксены и гранаты. Гранатовые перидотиты – главные породы слоя В верхней мантии. Их свойства соответствуют основным геофизическим показателям: плотности, скорости распространения сейсмических волн, которые отмечаются ниже границы Мохоровичича. Особенно важное значение имеют данные по кимберлитовым алмазоносным трубкам, где, помимо гранатового перидотита, имеются включения эклогитов. По составу эклогит близок к основной глубинной магматической породе габбро, но характеризуется высокой плотностью (3,35 – 4,2 г/см³) и скоростью распространения сейсмических волн. Такое уплотнение основных пород возможно только при больших давлениях, которые наблюдаются на глубине 40 км и более. По современным данным, алмазоносные эклогиты и алмазосодержащие гранатовые перидотиты попали в кимберлитовые трубки с глубин не менее 150 и даже 200 км.

В слое С верхней мантии (слой Голицына) – области наиболее быстрого нарастания скорости сейсмических волн и давления – происходят фазовые превращения вещества. Это доказывается и экспериментальными данными. Так, обычный кварц с плотностью 2,53 г/см³ при больших давлениях переходит в более плотную модификацию – стишовит с плотностью 4,25 г/см³. Уплотнение и изменение структуры может произойти и с железисто-магнезиальными силикатами. Предполагается, что с увеличением глубины в слое С и в нижней мантии возможен распад всех железисто-магнезиальных силикатов на простые окислы, характеризующиеся плотнейшей упаковкой. В качестве примера можно привести распад магнезиального минерала форстерита:

Mg2[SiO4] → 2MgO + SiO2.

форстерит периклаз стишовит

Таким образом, при распаде силикатов на окислы могут образовываться МgО (периклаз), Аl₂O₃ (корунд), Fе₂О₃ (гематит), ТiO₂ (рутил), SiO₂ (стишовит) и др.

Несколько иное объяснение дает В.А.Магницкий (1965). Он предполагает, что в слое С и нижней мантии происходит переход от преобладающего ионного типа связей к ковалентным связям. Для примера берется тот же форстерит Мg₂[SiО₄]. При переходе в ковалентную связь ионные радиусы Мg²⁺(0,074 нм) увеличивается до 0,14 нм, а О^2–(0,136 нм) уменьшается до 0,055 нм. В этом случае расстояние Мg – О изменяется от 0,21 до 0,195 нм, что приводит к увеличению плотности до 18%.

Ядро. Центральная геосфера Земли, занимает около 17% ее объема и составляет 34% ее массы. Ядро состоит из большого, жидкого внешнего ядра, через которое не проходят поперечные сейсмические волны, и малого твердого внутреннего (рис.12), что четко выделяется по сейсмическим данным. Ядро Земли имеет большую плотность и высокую металлическую электропроводность. Исходя из этого уже давно была высказана мысль, что ядро состоит из железа с примесью никеля. При этом проводилась аналогия с железными метеоритами. Таким образом, резкая граница между мантией и ядром объясняется изменением состава вещества. Однако экспериментальные исследования показали, что при давлении, существующем у границ ядра, плотность железа очень большая. Она намного превышает расчетные величины средней плотности Земли. По современным данным плотность земного ядра на 10% ниже плотности железоникелевого сплава при температурах и давлениях, которые имеются в ядре. На основании этого высказывается предположение, что кроме никелистого железа в ядре должны быть какие-то легкие элементы, к которым могут быть отнесены кремний или сера. В настоящее время многие исследователи склоняются к тому, что ядро состоит в основном из железа с примесью никеля и серы. Не исключается возможность присутствия и других элементов (или кислорода, или кремния). Вместе с тем существуют и другие точки зрения о составе и состоянии вещества внешнего ядра Земли. Так, предполагается, что внешнее ядро состоит (наиболее вероятно) из окисла железа (FеО), которое испытывает не только плавление, но и фазовый переход в более плотную металлическую фазу. Такие фазовые переходы при давлениях 1×1011 Па были установлены для окислов экспериментальным путем (Л.Ф. Верещагин и др.). При этом наблюдалась внезапная перестройка атомов в новую структуру высокой плотности и большой энергии связи между атомами.

Х имический состав Земли. При определении химического состава нашей планеты большое значение имеют исследования химического состава пород луны и метеоритов, падающих на Землю. Эти данные можно использовать только при предположении о близости химического состава исходного вещества планет группы.

Метеориты подразделяются на три группы: железные, железо-каменные и каменные. Убедительным свидетельством близости химического состава планет являются данные изучений образцов лунного грунта, доставленных космическими аппаратами «Луна–16», «Апполон–11» и «Апполон–12». Согласно этим данным, горные породы лунных морей представлены базальтами, близкими по составу к базальтам земной коры, лунные горы сложены анортозитами, аналогичными земным. Найдены на луне и ультраосновные породы, аналогичные пироксенитам и перидотитам.

Таблица 1

Элементы	Химический состав, вес%
	Г. Холл, 1970	Р. Ганапати и Э. Андерс, 1974	Дж. Смит, 1979	По Дж.Моргану и Э.Андерсу, 1980
O	30,25	28,5	31,3	30,12
Fe	29,76	35,87	31,7	32,07
Mg	15,69	19,21	13,7	13,90
Si	14,72	14,34	15,1	15,12
S	4,17	1,84	2,91	2,92
Ni	1,65	2,04	1,72	1,82
Ca	1,64	1,93	2,28	1,54
Al	1,32	1,77	1,83	1,41
Na	0,30	0,158	–	0,12

С учетом состава и свойств метеоритов и образцов с луны, а также геофизических данных о внутреннем строении нашей планеты рассчитан средний химический состав Земли (табл.1). Приведенные в табл.1 элементы распространены в основном в виде химических соединений, в самородном состоянии встречаются (из перечисленных) только железо и сера.