Мантия земли состоит в основном из химических соединений: «Происхождение структур земной коры» / Земля

«Происхождение структур земной коры» / Земля

Мантия Земли (Ботт, 1974; Белоусов, 1975; Сорохтин, 1974) подобно ядру внутренне неоднородна. Она расчленяется на три слоя: верхнюю мантию (от раздела М до глубин примерно 400 км), переходную зону или слой Голицына (глубины 400–1000 км) и нижнюю мантию (глубины 1000–2900 км). Мантия имеет ультраосновной состав, близкий к составу перидотитов и хондритов. Их преобладающими минералами являются пироксен и оливин. Поэтому вещество мантии Д. Грин и А. Рингвуд ещё в 1967 г. назвали условно «пиролитом».

Одной из наиболее важных особенностей вещества мантии является способность порождать базальтовую магму. Базальты в виде сплошного слоя мощностью 1.5–2.5 км распространены в земной коре океанов и очень часто встречаются в коре континентов. Многочисленные эксперименты показывают, что базальты образуются в результате частичного (5–10 %) расплавления различных ультраосновных пород главным образом за счёт зёрен пироксена и граната при температурах от 1 225 до 1 500 °С.  При этом в зависимости от давления в зоне плавления базальты приобретают несколько отличные составы. Д. Грин и А. Рингвуд (1968) показали, что щёлочность базальтов прямо связана с глубиной их рождения: высоко-глиноземистые оливиновые толеиты рождаются, по всей вероятности, на глубинах порядка 30 км, щелочные оливиновые базальты — на глубинах от 35 до 60 км, а пикриты — около 90 км. Вместе с тем отмечается, что источником главной части базальтовой магмы являются глубины порядка 60 км.

Базальты и другие породы мантийного происхождения, например кимберлиты, выносят на земную поверхность обломки пород, составляющих мантию. Эти обломки, которые называются ксенолитами, служат источником прямой информации о вещественном составе верхней мантии. По данным В. Г. Лутца, В. С. Соболева и других исследователей ксенолиты, выявленные на континентах, представлены преимущественно гранатовыми перидотитами, гранатовыми лерцолитами, гранатовыми гарцбургитами, верлитами, дунитами, пироксенитами, пироп-диопсидовыми, пироп-диопсид-энстатитовыми эклогитами и менее глубинными шпинелевыми перидотитами, альпинотипными породами ультраосновного состава, подобными офиолитам эвгеосинклиналей.

Значит, мантия под континентами, хотя и сложена главным образом перидотитами, в вещественном отношении крайне неоднородна. Под океанами она более однородна (Белоусов, 1975). Представляющие её породы найдены в обрывах рифтовых долин срединноокеанических хребтов. Это также перидотиты, но гораздо более однообразного состава.

В. Г. Лутц (1973), сравнив составы верхнемантийных пород и хондритов, пришёл к выводу, что последние ближе всего по составу к наиболее глубинным мантийным породам — гранатовым перидотитам, хотя и отличаются от них большим содержанием щелочных, щёлочно-земельных, радиоактивных и редкоземельных элементов, т. е. теми элементами, которыми чрезвычайно обогащена земная кора континентов, а также содержанием железа — элемента, характерного для внутренних частей планеты. Вероятно, верхнемантийные породы — это остатки первичного вещества планеты, утратившие определённую группу элементов в процессе химической и термогравитационной дифференциации. Часть этих элементов вынесена вверх «сквозьпроникающими» флюидными растворами и магматическими расплавами, часть «утонула» в нижних слоях мантии и ядре Земли.

О составе слоя Голицына и нижней мантии прямых данных нет. На основании экспериментов с породами верхнемантийного состава принимается, что в нижней мантии распространены породы, подобные первичному веществу планеты хондритам, в которых некоторые минералы перешли в свои сверхплотные модификации, например, оливин в шпинель, пироксен в гранат, кварц в стишовит и коэсит. Так как подобные фазовые превращения минералов происходят в основном в термодинамических условиях слоя Голицына, то скорости прохождения сейсмических волн и средние плотности вещества сверху вниз по разрезу мантии нарастают неравномерно: вблизи кровли верхней мантии плотность равна 3.3 г/см3, скорость прохождения продольных волн 8.1 км/с; к низам верхней мантии плотность возрастает до 3.6 г/см3, скорость до 9 км/с; в интервале слоя Голицына плотность быстро возрастает от 3.6 до 4.6 г/см3, скорость — от 9 до 11.5 км/с; в интервале нижней мантии плотность увеличивается от 4.6 до 5.6 г/см3, скорости продольных волн — от 11.

5 до 13.6 км/с.

В верхней мантии под континентами ориентировочно в интервале глубин 100–250 км, а под океанами — в интервале 50–350 км располагается слой с относительно пониженными значениями плотности вещества и скорости прохождения сейсмических волн. В этом слое уменьшение плотности достигает 0.1 г/см3, уменьшение скорости продольных волн — 0.4 км/с, поперечных волн — 0.3 км/с. Слой не имеет резких границ. С выше- и нижележащими мантийными массами он связан постепенными переходами. Слой называется волноводом или, в честь открывшего его геофизика Б. Гутенберга (1953 г.), слоем Гутенберга. Предполагается, что вещество слоя находится в частично расплавленном состоянии и представляет собой своеобразную «кашу», состоящую из жидких (промазок, прослоев, капельных проявлений базальтового расплава) и твёрдых (главным образом оливиновых остатков перидотита) компонентов. Объем базальтовых выплавок вряд ли превышает 1 %. Вследствие наличия жидких расплавов слой характеризуется во много десятков раз повышенной электропроводностью и резко (в 1 000 раз) пониженной вязкостью, которая составляет 10

20—1021 пуаз. Последнее послужило основанием для разделения масс, лежащих выше слоя Голицына, на астеносферу (греч. астенос — слабый), соответствующую волноводу, и литосферу , т. е. каменную сферу, включающую надастеносферные горизонты мантии и земную кору. Поскольку все тектонические, магматические и метаморфические проявления на поверхности Земли обусловлены активной совместной ролью астеносферы и литосферы, то В. В. Белоусов (1975) предложил объединить эти две оболочки под общим названием тектоносфера Земли.

Толщина и положение астеносферы в разрезе верхней мантии переменны. В тектонически активных областях планеты, характеризующихся значительным разогревом недр, она имеет большую мощность, достигающую 200–300 км, а её поверхность часто совмещается с подошвой земной коры. Здесь в составе литосферы остаётся одна лишь земная кора. Наоборот, в областях относительного тектонического покоя астеносфера имеет небольшую (100–200 км) мощность, а её поверхность располагается значительно ниже подошвы коры.

Например, под океаническими равнинами поверхность астеносферы отмечается на глубинах 60–100, подошва — 250–300 км. Под континентальными равнинами астеносфера располагается на глубинах порядка 100 км и имеет толщину около 150 км. Под континентальными областями с предельно глубоким охлаждением недр, например под Канадским и Балтийским щитами, волноводы ещё более слабо выражены. Причём регистрируются они только по поперечным сейсмическим волнам. Поэтому возможно, что местами они вообще отсутствуют.

Волноводы известны также и в нижней мантии (М. Чиннери, М. Токзоц, А. Дуглас, Д. Корбишли). Здесь они располагаются на глубинах около 1 900 км и имеют небольшую мощность. Кроме того, как в верхней, так и в нижней мантии выделяется несколько волноводов с ограниченным площадным распространением, названных астенолинзами (Пейве, Савельев, 1982).

Наличие в составе мантии двух планетарных волноводов и множества астенолинз, образованных полурасплавленной базальт-гипербазитовой массой, позволяет считать, что мантия в целом находится в твёрдом состоянии, но критическом, близком к частичному расплавлению. Такое состояние мантии приводит к заметному снижению прочности слагающих её масс. Если прочность земной коры на сжатие достигает 1 000 бар (такой величины разность давлений наблюдается в подошве высоких горных хребтов, например Гималаев), а по наиболее крепким горным породам даже 1 500 (граниты) и 2 000 бар (дуниты, пироксениты), то прочность пород нижней мантии не превышает 160 бар (оценки прочности разными методами дают значения от 50 до 160 бар), а прочность вещества астеносферы составляет всего 20 бар (Ботт, 1974). Важно, что породы мантии не обладают способностью к хрупкому разрушению. Хрупкие деформации характерны только для верхней части литосферы, а в более глубоких частях литосферы и в мантии благодаря росту температуры недр с глубиной хрупкие деформации сменяются пластическим течением. Именно этим объясняются следующие факты: 1 — до сих пор не было зарегистрировано ни одного землетрясения с очагом, расположенным вне литосферы; 2 — свыше 75 % энергии, выделяющейся при землетрясениях, связано с приповерхностными землетрясениями, имеющими очаги в интервале глубин от 0 до 70 км, а с глубокими, очаги которых размещаются глубже 30 км, — только 3 %; 3 — землетрясения, связанные с образованием разломов в горных породах, характерны только для небольших (до 15–30 км) глубин.

На более значительных глубинах землетрясения имеют иные физические механизмы: неустойчивость ползучести, связанная с образованием небольших зон плавления, быстрые фазовые превращения вещества и другие, ещё не выясненные явления.

Как уже было отмечено, ограничениями мантии служат сейсмические разделы Гутенберга (снизу) и Мохоровичича (сверху). Природа нижнего раздела сейчас представляется относительно ясной. Этот раздел приурочен к контакту материальных масс, имеющих разное агрегатное (физическое) состояние, разную плотность и разный химический состав: твёрдых ультраосновных силикатных пород мантии, имеющих плотность 5.6 г/см3, и жидкого железо-никелевого вещества внешнего ядра, плотность которого сразу ниже мантии равна 9.5 г/см3.

Менее определённо решается вопрос о природе раздела М. Существует несколько вариантов его интерпретации, что, по нашему мнению, доказывает разнородность этого раздела. Нам более вероятно, под океанами (по Г. Хессу) и под некоторыми древними складчатыми областями континентов (по И.  А. Резанову) он отделяет ультраосновное вещество мантии от продукта его гидратации — серпинтинизированного горнопородного комплекса. Последний имеет пониженную плотность, и только поэтому включается в состав «геофизической» земной коры. Под фанерозойскими складчатыми областями этот раздел находится между ультраосновным веществом мантии и гранулитовым комплексом земной коры, имеющим средний и основной химический состав. Подобластями континентов, находящимися в состоянии тектонической активизации и повторного орогенеза (под дейтероорогенами), сейсмический раздел М располагается внутри мантии — между плотным твёрдым, холодным и относительно менее плотным, полурасплавленным мантийным веществом, подобным тому, которое находится в астеносфере. Это полурасплавленное вещество представляет собой базальт-гипербазитовую смесь, имеет пониженную (до 3.0–3.1 г/см3) плотность и поэтому условно включается в состав земной коры, обособляясь в теле коры под названием «аномальной мантии». Наконец, под континентальными областями, пережившими в прошлом состояние дейтероорогенеза, раздел М отделяет коровый гранулитовый комплекс от эклогит-гипербазитовой раскристаллизованной смеси, в которую под воздействием высокого геостатического давления превратилась, остывая, бывшая базальт-гипербазитовая аномальная мантия».

Мантия Земли – строение, особенности, температура и состав

Мантия Земли – это наиболее важный участок нашей планеты, так как именно тут сосредоточена большая часть веществ. Он намного толще, чем остальные компоненты и, по сути, занимает большую часть пространства – около 80%. Изучению именно этой части планеты ученые посвятили большую часть времени.

Строение

Строение мантии ученые могут только предполагать, так как методов, которые бы однозначно дали ответ на данный вопрос, пока что не существует. Но, проведенные исследования дали возможность предположить, что данный участок нашей планеты состоит из таких слоев:

  • первый, наружный – он занимает от 30 до 400 километров земной поверхности;
  • переходная зона, которая расположена сразу за наружным слоем – по предположениям ученых она уходит вглубь примерно на 250 километров;
  • нижний слой – его протяжность самая большая, около 2900 километров. Он начинается сразу после переходной зоны и идет прямо к ядру.

Следует отметить, что в мантии планеты есть такие горные породы, которых нет в земной коре.

Состав

Само собой, что точно установить из чего состоит мантия нашей планеты, нельзя, так как добраться туда невозможно. Поэтому, все, что удается изучить ученым, происходит при помощи обломков этого участки, которые периодически появляются на поверхности.

Так, после ряда исследований удалось выяснить, что этот участок Земли черно-зеленого цвета. Основной состав – это горные породы, которые состоят из таких химических элементов:

  • кремний;
  • кальций;
  • магний;
  • железо;
  • кислород.

По внешнему виду, а в чем-то даже и по составу, она очень похожа на каменные метеориты, которые также периодически попадают на нашу планету.

Вещества, которые находятся в самой мантии, жидкие, вязкообразные, так как температура на данном участке превышает тысячи градусов. Ближе к коре Земли температура снижается. Таким образом, происходит некоторый круговорот – те массы, которые уже охладились, спускаются вниз, а разогретые до предела попадают наверх, поэтому процесс «смешивания» никогда не прекращается.

Периодически, такие разогретые потоки попадают в самую кору планеты, в чем им оказывают содействие действующие вулканы.

Способы изучения

Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.

Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:

  • скорость сейсмических волн;
  • сила тяжести;
  • характеристики и показатели электропроводности;
  • изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.

Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.

Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.

Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.

Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.

Давление и температура

Распределение давления в пределах мантии неоднозначно, собственно как и температурного режима, но обо всем по порядку. На долю мантии приходится больше половины веса планеты, а если сказать точнее, то 67%. В участках под земной корой давление составляет около 1,3-1,4 млн.атм., при этом, следует отметить, что в местах, где расположены океаны, уровень давления существенно спадает.

Что же касается температурного режима, то здесь данные вовсе неоднозначны и базируются только на теоретических предположениях. Так, у подошвы мантии предполагается температура в 1500-10 000 градусов по Цельсию. В целом, ученые предположили, что температурный уровень на данном участке планеты более близок к температуре плавления.

Химический состав мантии и ядра Земли

Мантия Земли имеет особый состав, отличаясь от состава покрывающей ее земной коры. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты Земли в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. К таким породам относятся ультраосновные породы — дуниты, перидотиты, залегающие в горных системах. Горные породы островов Св. Павла в средней части Атлантического океана, по всем геологическим данным, относятся к мантийному материалу. Также к мантийному материалу относятся обломки пород, собранные советскими океанографическими экспедициями со дна Индийского океана в области Индоокеанского хребта. Что касается минералогического состава мантии, то здесь можно ожидать существенных изменений, начиная от верхних горизонтов и кончая основанием мантии в связи с ростом давления. Верхняя мантия сложена преимущественно силикатами (оливинами, пироксенами, гранатами), устойчивыми и пределах относительно низких давлений. Нижняя мантия сложена минералами высокой плотности.

Наиболее распространенным компонентом мантии является окись кремния в составе силикатов. Но при высоких давлениях кремнезем может перейти в более плотную полиморфную модификацию — стишовит. Этот минерал получен советским исследователем Стишовым и назван так по его имени. Если обычный кварц имеет плотность 2,533 r/см3, то стишовит, образующийся из кварца при давлении 150 000 бар, имеет плотность 4,25 г/см3.

Кроме того, в нижней мантии вероятны и более плотные минеральные модификации других соединений. Исходя из изложенного выше, можно с достаточным основанием полагать, что с ростом давления обычные железисто-магнезиальные силикаты оливины и пироксены разлагаются на окислы, которые в отдельности имеют более высокую плотность, чем силикаты, которые оказываются устойчивыми в верхней мантии.

Верхняя мантия состоит преимущественно из железисто-магнезиальных силикатов (оливинов, пироксенов). Некоторые алюмосиликаты могут переходить здесь в более плотные минералы типа гранатов. Под материками и океанами верхняя мантия имеет разные свойства и, вероятно, различный состав. Можно только предположить, что в области континентов мантия более дифференцирована и имеет меньше SiO2 за счет концентрации этого компонента в алюмосиликатной коре. Под океанами мантия менее дифференцирована. В верхней мантии могут возникать более плотные полиморфные модификации оливина со структурой шпинели и др.

Переходной слой мантии характеризуется постоянным возрастанием скоростей сейсмических волн с глубиной, что свидетельствует о появлении более плотных полиморфных модификаций вещества. Здесь, очевидно, появляются окислы FeO, MgO, GaO, SiO2 в форме вюстита, периклаза, извести и стишовита. Количество их с глубиной возрастает, а количество обычных силикатов уменьшается, и глубже 1000 км они составляют ничтожную долю.

Нижняя мантия в пределах глубин 1000—2900 км практически полностью состоит из плотных разновидностей минералов — окислов, о чем свидетельствует ее высокая плотность в пределах 4,08—5,7 г/см3. Под влиянием возросшего давления плотные окислы сжимаются, еще более увеличивая свою плотность. В нижней мантии также, вероятно, увеличивается содержание железа.

Ядро Земли. Вопрос о составе и физической природе ядра нашей планеты относится к наиболее волнующим и загадочным проблемам геофизики и геохимии. Только за последнее время наметилось небольшое просветление в решении этой проблемы.

Обширное центральное ядро Земли, занимающее внутреннюю область глубже 2900 км, состоит из большого внешнего ядра и малого внутреннего. По сейсмическим данным, внешнее ядро обладает свойствами жидкости. Оно не пропускает поперечных сейсмических волн. Отсутствие сил сцепления между ядром и нижней мантией, характер приливов в мантии и коре, особенности перемещения оси вращения Земли в пространстве, характер прохождения сейсмических волн глубже 2900 км говорят о том, что внешнее ядро Земли жидкое.

Некоторыми авторами состав ядра для химически однородной модели Земли допускался силикатным, причем под влиянием высокого давления силикаты перешли в «металлизированное» состояние, приобретая атомную структуру металлов, у которых внешние электроны являются общими. Однако перечисленные выше геофизические данные противоречат предположению о «металлизированном» состоянии силикатного материала в ядре Земли. В частности, отсутствие сцепления между ядром и мантией не может быть совместимо с «металлизированным» твердым ядром, что допускалось в гипотезе Лодочникова—Рамзая. Очень важные косвенные данные о ядре Земли получены во время опытов с силикатами под большим давлением. При этом давления достигали 5 млн. атм. Между тем в центре Земли давление 3 млн. атм., а на границе ядра — приблизительно 1 млн. атм. Таким образом, экспериментальным путем удалось перекрыть давления, существующие в самых глубинах Земли. При этом для силикатов наблюдалось только линейное сжатие без скачка и перехода в «металлизированное» состояние. Кроме того, при высоких температурах и давлениях в пределах глубин 2900—6370 км силикаты не могут находиться в жидком состоянии, как и окислы. Их температура плавления возрастает с увеличением давления.

За последние годы получены весьма интересные результаты исследований по влиянию очень высоких давлений на температуру плавления металлов. Оказалось, что ряд металлов при высоких давлениях (300 тыс. атм. и выше) переходит в жидкое состояние при относительно невысоких температурах. По некоторым расчетам, сплав железа с примесью никеля и кремния (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) на глубине 2900 км под влиянием высокого давления должен находиться в жидком состоянии уже при температуре 1000° С. Но температура на этих глубинах, по самым скромным оценкам геофизиков, должна быть значительно выше.

Поэтому в свете современных данных геофизики и физики высоких давлений, а также данных космохимии, указывающих на ведущую роль железа как наиболее обильного металла в космосе, следует допустить, что ядро Земли в основном сложено жидким железом с примесью никеля. Однако расчеты американского геофизика Ф. Берча показали, что плотность земного ядра на 10% ниже, чем железоникелевый сплав при температурах и давлениях, господствующих в ядре. Отсюда следует, что металлическое ядро Земли должно содержать значительное количество (10—20%) какого-то легкого элемента. Из всех наиболее легких и распространенных элементов максимально вероятными |оказываются кремний (Si) и сера (S). Наличие одного или другого способно объяснить наблюдаемые физические свойства земного ядра. Поэтому вопрос о том, что является примесью земного ядра — кремний или сера, оказывается дискуссионным и связан со способом формирования нашей планеты в делом.

А. Ридгвуд в 1958 г. допустил, что земное ядро содержит кремний в качестве легкого элемента, аргументируя такое предположение тем, что элементарный кремний в количестве нескольких весовых процентов встречается в металлической фазе некоторых восстановленных хондритовых метеоритов (энстатитовых). Однако других доводов в пользу присутствия кремния в земном ядре нет.

Предположение о том, что в земном ядре имеется сера, вытекает из сравнения ее распространения в хондритовом материале метеоритов и мантии Земли. Так, сопоставление элементарных атомных соотношений некоторых летучих элементов в смеси коры и мантии и в хондритах показывает резкий недостаток серы. В материале мантии и коры концентрация серы на три порядка ниже, чем в среднем материале солнечной системы, в качестве которого принимаются хондриты.

Возможность потери серы при высоких температурах первичной Земли отпадает, поскольку другие более летучие элементы, чем сера (например, Н2 в виде Н2O), обнаружившие значительно меньший дефицит, были бы потеряны в значительно большей степени. Кроме того, при охлаждении солнечного газа сера химически связывается с железом и перестает быть летучим элементом.

В связи с этим, вполне возможно, большие количества серы поступают в земное ядро. Следует отметить, что при прочих равных условиях температура плавления системы Fe—FeS значительно ниже, чем температура плавления железа пли силиката мантии. Так, при давлении 60 кбар температура плавления системы (эвтектики) Fe—FeS составит 990° С, в то время как чистого железа — 1610°, а пиролита мантии — 1310. Поэтому при повышении температуры в недрах первично однородной Земли железный расплав, обогащенный серой, будет формироваться первым и ввиду своей низкой вязкости и высокой плотности будет легко стекать в центральные части планеты, образуя железисто-сернистое ядро. Таким образом, присутствие серы в железоникелевой среде действует в качестве флюса, снижая температуру ее плавления в целом. Гипотеза о присутствии в земном ядре значительных количеств серы является весьма привлекательной и не противоречит всем известным данным геохимии и космохимии.

Таким образом, современные представления о природе недр нашей планеты соответствуют химически дифференцированному земному шару, который оказался разделенным на две разные части: мощную твердую силикатно-окисную мантию и жидкое в основном металлическое ядро. Земная кора представляет собой наиболее легкую верхнюю твердую оболочку, состоящую из алюмосиликатов и имеющую наиболее сложное строение.

Подводя итог сказанному, можно сделать следующие выводы.

  1. Земля имеет слоистое зонарное строение. Она состоит на две трети из твердой силикатно-окисной оболочки — мантии и на одну треть из металлического жидкого ядра.
  2. Основные свойства Земли свидетельствуют о том, что ядро находится в жидком состоянии и только железо из наиболее распространенных металлов с примесью некоторых легких элементов (скорее всего, серы) способно обеспечить эти свойства.
  3. В верхних своих горизонтах Земля имеет асимметричное строение, охватывающее кору и верхнюю мантию. Океаническое полушарие в пределах верхней мантии менее дифференцировано, чем противоположное континентальное полушарие.

Задача любой космогонической теории происхождения Земли — объяснить эти основные особенности ее внутренней природы и состава.

Строение и химия Земли – аналитический портал ПОЛИТ.РУ

Облик нашей планеты и ее эволюция обусловлены процессами, которые происходят в ее глубинах. Каков химический состав мантии и ядра Земли? Каковы температуры и давления там? Из каких химических веществ они состоят, и каковы их свойства? Есть ли связь между химией высоких давлений и появлением жизни на Земле (а также периодическими глобальными вымираниями)? Что нового мы узнали о своей планете благодаря изучению ее вещества при высоких температурах и давлениях? Об этом и пойдет речь в лекции Артёма Оганова, химика, кристаллографа-теоретика, профессора РАН, члена Европейской Академии, профессора Сколтеха.

Сегодня я расскажу вам об одном из основных своих направлений работы. У меня несколько направлений, одно — это дизайн материалов, а другое — изучение вещества в недрах планеты. Тема на самом деле общая — мы изучаем вещество, его строение, и то, как это строение обуславливает свойства и поведение вещества. Найдя ключ к пониманию строения вещества, научившись предсказывать строение вещества, мы можем изучать вещество на самых разных просторах — от приборов и технологий до недр планет.

Поговорим немного о планетах — какие они бывают, какое место среди них занимает наша Земля. В Солнечной системе планеты бывают каменные (их также называют планетами земного типа) — это Меркурий, Венера, Земля, Марс, и газовые гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Уже известно несколько тысяч планет за пределами Солнечной системы, их называют экзопланетами. Кстати, среди каменных экзопланет известны планеты намного более крупные, чем Земля — вплоть до 20 земных масс, их называют суперземлями.

Мы знаем температуру и давление внутри Земли — например, давление в центре Земли 3,64 млн атмосфер, а температура примерно 6 тыс градусов Кельвина. Менее точно мы знаем давление и температуру в недрах других планет.

 

Артем Оганов / Фото: Алексей Никодимов

Юпитер и Сатурн состоят в основном из смеси водорода и гелия, и характеризуются — в особенности Сатурн — большим избыточным тепловым потоком. То есть Сатурн излучает больше тепла, чем получает от Солнца. И этому есть объяснение: при высоких давлениях, которые создаются в недрах этой гигантской планеты, водород становится металлическим, а гелий — нет. И эта смесь разделяется на две компоненты: более легкий металлический водород и более тяжелый неметаллический гелий. И вот более тяжелый гелий образует капельки, которые падают в гравитационном поле Сатурна. И гравитационная энергия переходит в тепловую посредством трения этих капелек об жидкие «внутренности» Сатурна. За счет этого «гелиевого дождя» и производится тепло в недрах этой планеты. В Юпитере это тоже происходит, но в меньшем масштабе, поскольку недра Юпитера более горячие и гелий с водородом лучше смешиваются.

Уран и Нептун — другие. Они состоят из смеси воды, метана и аммиака. Из этих двух планет Нептун тоже характеризуется большим избытком теплового потока. Предполагают, что в недрах Нептуна образуются алмазы. Нептун и Уран — это тоже жидкие планеты, газово-жидкие. В недрах Нептуна, как считают, образуется алмаз — он плотный, твердый, эти кристаллики падают в недрах Нептуна в огромных количествах, и за счет этого генерируется тепло. За счет падения огромного количества алмазов. Пока еще эта гипотеза вызывает вопросы, но это пока что лучшее, что у нас есть.

Вот такие удивительные миры скрываются за пределами нашей планеты. Посмотрим на шкалу давлений, которая существует внутри планет Солнечной системы, в гигапаскалях, ГПа. 1 ГПа — это десять тысяч атмосфер, а давления в центре планет порядка сотен гигапаскалей. Чтобы создать давление в 100 ГПа, то есть 1 миллион атмосфер, вам нужно поймать 200 слонов, и их совокупный вес приложить к площади в один квадратный сантиметр. Давление в центре Земли — почти 4 млн атмосфер. Давление в центре Венеры примерно такое же. Давление в центре Марса чуть ниже, в центре Юпитера или Сатурна значительно выше. При такого рода давлениях можно ожидать фундаментального изменения в химических связях между атомами. Мы ожидаем, что атомы будут вести себя совсем не так, как при нормальных условиях. Например, кислород под давлением является сверхпроводником. При нормальных условиях кислород не является металлом, а при давлении в миллион атмосфер он становится сверхпроводящим металлом. Ну, и много других подобных «сюрпризов».

Если мы посмотрим на уникальные данные, которые собрали советские физики в 1960-е годы, мы увидим, что при очень высоких давлениях нарушается даже периодический закон Менделеева. Посмотрим на изменение атомного объема с порядковым номером. Вы видите пилообразную периодическую зависимость — классическое подтверждение закона Менделеева. При давлении в 3 млн атмосфер мы все еще наблюдаем эту «пилу», но она значительно «приглушена»; при давлении в 10 млн атмосфер «пилы» уже нет, фактически можно говорить, что и периодического закона тут нет. Но есть какая-то «шероховатость» в зависимости атомного объёма от атомного номера. А при давлении в 30 млн атмосфер даже «шероховатости» нет, есть плавное изменение физических и химических изменений свойств элементов с порядковым номером. Химия в таких условиях сверхвысоких давлений оказывается не действенной. Вместо электронов на атомных s-, p-, d-, f- орбиталях, мы имеем электроны, размазанные в «картофельное пюре» — электронный газ. И привычная химия с периодическим законом уступает физике электронного газа.

 

 

Артем Оганов / Фото: Алексей Никодимов

В этой лекции мы говорим про давления на один-два порядка меньше, чем те, при которых это происходит. При такого рода давлениях химия по-прежнему существует, но значительно меняется. Например, мы нашли — теоретически и экспериментально — новую стабильную структуру бора, где один тип атомов бора отдает электроны, а другие атомы бора притягивают электроны на себя. В результате часть атомов заряжена положительно, часть — отрицательно, но это атомы одного и того же элемента, просто они играют разную роль в кристаллической структуре. А вот еще более удивительное предсказание, тоже подтвержденное экспериментом: что при высоких давлениях натрий перестает быть металлом. Мы привыкли называть натрий и другие элементы I группы щелочными металлами, но под давлением натрий уже не металл, а прозрачный диэлектрик. И здесь вы видите экспериментальный образец натрия в просвечивающем свете, и видно, что он, действительно, прозрачен и имеет оранжевый цвет. Это совершенно удивительные предсказания и их экспериментальные подтверждения.

Итак, химия под давлением меняется очень сильно. Мы говорим про давления, присущие недрам Земли. Из чего она состоит, как устроена? Мы знаем это из разных источников. Конечно, мы можем изучать горные породы и минералы с поверхности Земли, даже пробурить внутрь Земли, но это нас заведет не очень далеко. Самая глубокая скважина — Кольская сверхглубокая — имеет глубину чуть больше 12 километров (а радиус Земли почти 6400 км), и пробурить даже на 12 км было очень трудно. Таким образом, мы должны исходить из каких-то косвенных данных. Самый важный метод косвенного изучения недр Земли — сейсмология, когда мы изучаем прохождение упругих волн через недра нашей планеты. Волны достаточной мощности генерируются в землетрясениях. Когда у вас есть сейсмическая волна, упругая или звуковая волна — это одно и то же — она распространяется по всем направлениям, следуя, как ни странно, законам геометрической оптики: отражаясь или преломляясь от границ сред с разными скоростями распространения волн. И вот, применяя законы геометрической оптики для распространения в данном случае сейсмических волн, и решая обратную задачу, мы много смогли узнать о недрах Земли. Где находится сейсмическая граница между, скажем, ядром и мантией, или между внутренним ядром и внешним ядром, и так далее. Все эти границы удалось достаточно точно локализовать и описать. Как меняются свойства вещества при пересечении каждой из этих границ? Например, как меняется плотность? Удалось построить сейсмическую модель Земли. Надо сказать, что эта история до сих продолжается, хотя самые великие геофизические открытия, наверное, уже были сделаны за последние 100 лет. Эта эпопея началась чуть больше 100 лет назад, но последние важные открытия были сделаны в начале 2000-х годов, то есть, люди до сих пор находят что-то новое.

Мы узнали кое-что о составе Земли, хотя и не можем добурить до центра, но все же кое-что знаем. Модели состава Земли основаны на составе особого типа метеоритов, углистых хондритов CI, которые, как считается, представляют первичное вещество Вселенной. И считается, что этот состав соответствует составу вещества Земли и вещества Солнца (если брать нелетучие элементы). В Солнце, конечно, очень много летучих элементов — водород, гелий, но если вы уберете эти летучие элементы, то соотношение всех остальных элементов на Земле и на Солнце будет одинаково, потому что они произошли из одного и того же газово-пылевого облака.

Итак, у нас есть представление о среднем составе всей Вселенной. Если мы уберем водород и гелий, а также и другие летучие элементы, то получим то, что считаем составом Земли. И то же самое касается Солнца и метеоритов. Но состав Земли очень сильно дифференцирован. Средний состав — это если бы мы взяли всю Землю, перемешали бы ее на миксере, и провели химический анализ. На самом деле, земная кора, земное ядро, земная мантия имеют совершенно разные составы. Мы знаем, что земное ядро — это, грубо говоря, железо-никелевый сплав. Это сильно сжатое и горячее железо в сплаве с никелем. А мантия Земли — это, в основном, силикаты магния. А земная кора — это, в основном, продукты выплавления из мантии, обогащенные щелочными металлами и другими элементами — например, фосфором, литием, бором, ураном, а также обогащенные элементами жизни — углеродом, водородом, азотом.

 

Артем Оганов / Фото: Алексей Никодимов

Важную роль играет динамика мантии и ядра Земли. В мантии потоки горячего вещества идут вверх, холодные потоки мантийного вещества идут вниз. Этот процесс протекает на больших масштабах. Благодаря этому процессу , например, континенты дрейфуют друг относительно друга. Южная Америка и Африка раньше были одним континентом, но благодаря этим мантийным потокам они дрейфуют в противоположные стороны, их как бы «разрывает». Благодаря этой конвекции индийская плита «врезалась» в евразийскую.

Это очень важный процесс, который формирует нашу жизнь: землетрясения, вулканизм, дрейф континентов — все это происходит благодаря конвекции в мантии Земли. Сам по себе этот процесс очень интересен, потому что мантия Земли не является жидкостью или газом. Мы привыкли к конвекции в жидкости или газе, мы видим конвекцию в воздухе у костра или в чашке чая. В твердой мантии Земли конвекция тоже происходит, но с меньшей скоростью, примерно сантиметр в год. Казалось бы, пустяк, но если помножить эту скорость на геологические масштабы времени, на сотни миллионов лет, и станет понятно, что за это время вещество земной мантии может много раз пройти по кругу как через мясорубку.

Конвекция также присуща ядру Земли. Внешнее ядро Земли жидкое, расплавленное, а внутреннее — кристаллическое, твердое. И внешнее ядро Земли находится в состоянии довольно быстрой конвекции. Эта конвекция расплавленного электропроводящего вещества и генерирует наше магнитное поле. Оно связано не с тем, что ядро железное, а железо магнитное, нет. При давлениях и температурах ядра Земли железо уже немагнитное. Ядро создает магнитное поле не потому, что там магнитное железо, железо там размагнитилось, а благодаря тому, что там есть конвективное движение электропроводящей жидкости.Например, Юпитер обладает еще более сильным магнитным полем, чем Земля. Скорее всего, там нет или почти нет железного ядра, зато там есть вихревые потоки металлического водорода. Экспериментально магнитные поля планет изучают, помещая расплавленные металлы, такие, например, как натрий, в большие объемы, где происходит их помешивание. Помешивая расплавленный металл, вы можете сгенерировать магнитное поле примерно такого же типа, как у Земли. Магнитное поле Земли очень важно, потому то оно защищает нашу планету от потока заряженных частиц, в частности, от солнечного ветра. Если бы магнитного поля не было, то солнечный ветер — этот поток заряженных частиц — уничтожил бы жизнь. Собственно, он не дал бы ей даже зародиться. Поэтому мы знаем, что жизнь могла возникнуть только на планете, на которой есть магнитное поле.

Если говорить про минералы, то на поверхности Земли известно около 5000 минеральных видов, но доминирующими минералами являются полевые шпаты и кварц — больше 80% объема земной коры. Когда мы спускаемся ниже, считается, что минеральное разнообразие уменьшается. Минералы, которые мы предполагаем найти в недрах Земли, можно уже пересчитать по пальцам. В верхней мантии это оливин, пироксены, гранаты. В переходной зоне появляется новый минерал — вадслеит. Когда мы пересекаем границу 670 км и попадаем в нижнюю мантию Земли, то минералогия и химия претерпевают большие изменения, и тут доминируют перовскиты. Кстати, собственно перовскит это титанат кальция, встречающийся в маленьких количествах на поверхности Земли. В нижней мантии Земли возникают магниевый и кальциевый силикатные перовскиты. Магний-силикатный перовскит это минерал бриджманит, и это самый важный минерал на Земле, составляющий примерно 40% от объема всей Земли или же около 80% объёма нижней мантии. На поверхности Земли этот минерал был найден всего лишь несколько лет назад. И недавно открыли (с моим участием) минерал пост-перовскит, из самой нижней мантии Земли, он составляет примерно 80% объёма слоя D», у самой границы мантии с ядром.

Минералогические превращения обусловливает множество интересных вещей. В частности, некоторые глубинные землетрясения на Земле, вероятно, связаны с ними. Землетрясения малых глубин связаны просто с хрупкой деформацией — одна плита надвигается на другую, происходит хрупкая деформация. Глубинные землетрясения так не объяснить, потому что вещество становится гораздо более пластичным. Как считается, происходит фазовое превращение минералов. Например, минерал как серпентин, содержащий довольно много воды, на глубине обезвоживается, и это резкое обезвоживание и связанное с ним изменение объёма может объяснить некоторые из глубинных землетрясений.

 

Лекция на красной площади / Фото: Алексей Никодимов

Поговорим немного про ядро. Внешнее ядро — жидкое, расплавленное, а внутреннее — кристаллическое. И до сих пор ведутся жесточайшие дискуссии — какова же кристаллическая структура железа в условиях ядра Земли. Ядро это железо-никелевый сплав, но там также порядка 15% более легких элементов. Каких? Сера, кремний, углерод, кислород, водород. В какой пропорции — не знает никто. Множество моделей, но друг с другом они никак не сходятся. Перед вами полушуточный график, из которого видно, что на 1995-й год «лидировала» сера — большинство авторов предпочитало серу, на втором месте внезапно оказался кислород, который до того был достаточно непопулярен. Демократия в науке не работает, решается вопрос не большинством голосов, а логичностью выводов и их согласованностью с фактами.

До недавнего времени кристаллические структуры веществ можно было изучать только экспериментально. Предсказывать, какую структуру будет иметь ещё не полученное вещество, считалось невозможным. Эту задачу нам удалось решить, разработав эволюционный метод USPEX, где компьютер генерирует разные модели кристаллических структур, отбраковывает наименее стабильные из них, а на основе более стабильных конструирует новые модели кристаллических структур, пока не находит наилучшую. Это оказался эффективный метод, который даже при небольших ресурсах позволяет решать сложные задачи. Используют его уже тысячи ученых, как для предсказания новых материалов, так и для изучения вещества в экстремальных условиях.

Вот силикат магния при давлении 120 ГПа, то есть, 1,2 млн атмосфер. Мы начинаем со случайных структур, взятых «из ниоткуда», и наш эволюционный алгоритм генерирует новые модели структуры до тех пор, пока не находит наилучшую. В результате получается структура, в точности соответствующая стабильной структуре силиката магния. Что нам это дает? Ни много ни мало, как объяснение геофизических аномалий, которые были известны начиная с 1930-х годов. Много десятилетий были известны эти аномалии, но никто не мог их объяснить. Эта новая модификация силиката магния, которую мы назвали пост-перовскитом, доминирует в составе слоя D», на схеме строения Земли вы видите, что этот слой имеет крайне нерегулярные контуры. В каких-то местах он отсутствует, в каких-то достигает примерно 300 км в толщину. Все остальные оболочки Земли имеют более-менее ровные контуры, а этот слой — нет. И вещество этого слоя анизотропно, то есть сейсмические волны распространяются в разных направлениях с разной скоростью. Это необычно.

 

Лекция на Красной площади / Фото: Виктор Чернышов

А объясняется это тем, что образуется новая структура, вот этот самый пост-перовскит, который я только что вам показал. И эта структура слоистая и, разумеется, в любой слоистой структуре свойства будут различаться в разных направлениях. И если эти кристаллы ориентировать неким образом, то свойства будут зависеть от направления. Удалось выяснить еще много чего. С помощью предсказанного поля стабильности этой фазы удалось объяснить, почему этот загадочный слой имеет такую сильно меняющуюся толщину. Дело в том, что область стабильности этой фазы зависит от температуры. Если температура высокая, то пост-перовскит устойчив в очень маленьком диапазоне давлений, а там, где температура низкая, он устойчив в большем диапазоне давлений. Это объяснило, почему в каких-то местах этот слой отсутствует, а в каких-то местах он очень толстый. Мы видим, что с ростом температуры стабильность пост-перовскита падает. Когда Земля еще только-только образовалась и была очень горячей, температуры были такими высокими, что этого слоя не было. Этот слой родился в процессе охлаждения Земли, и даже до сих пор этот слой растет. Мы знаем еще одну оболочку Земли, которая растёт в процессе охлаждения Земли — твердое внутреннее ядро, по мере охлаждения Земли оно медленно выкристаллизовывается из жидкого ядра. Из условий, необходимых для стабильности пост-перовскита, можно заключить, что нет никакого пост-перовскита на таких планетах, как Марс или Меркурий. Он может быть на Венере, которая таких же размеров, как Земля, он есть на Земле. Он будет на более крупных планетах, но не на более мелких.

Кстати говоря, свойства этого самого пост-перовскита позволили объяснить еще одну загадку: периодическое изменение продолжительности суток. С периодом около 10 лет она меняется на несколько миллисекунд. И это связано с тем, что пост-перовскитовый слой D» имеет высокую электропроводность, и его взаимодействие с магнитным полем Земли оказывает влияние на скорость вращения Земли вокруг своей оси. Это было показано геофизиками достаточно давно, но не было известно, откуда берется эта электропроводность. Сейчас мы знаем, что за неё отвечает пост-перовскит.

Кстати, фазовый переход из перовскита в пост-перовскит должен ускорять конвекцию Земли. Есть фазовые переходы, которые являются барьерами для этой конвективной динамики, а есть переходы, которые ее подстегивают — и пост-перовскитовый переход относится именно к этому типу. Это означает, что в тот момент, когда пост-перовскит возник — не с момента образования Земли, а через сколько-то сотен миллионов лет, и точнее пока что сказать нельзя, ведь мы пока еще не очень хорошо понимаем, как менялись температуры в ходе эволюции Земли — динамика Земли изменилась. Конвективное движение должно было ускориться. Возможно, в тот момент возникла тектоника плит. Что это означает для нас? Эта самая конвекция и является механизмом, который приносит летучие элементы к поверхности Земли — углерод, водород, кислород, азот, и многие другие. Без этого не возникла бы жизнь. Это красивая идея, которую высказали японские учёные. Если так, то именно благодаря пост-перовскиту жизнь и возникла, потому что с его появлением был ускорен механизм экстракции летучих элементов из глубин на поверхность Земли. Что мне нравится в нашей науке и в науке вообще — удивительные связи между, казалось бы, несвязанными вещами. Казалось бы, где жизнь и мы с вами, и где пост-перовскит. Но без него, возможно, и нас бы не было.

Как я уже сказал, поведение элементов меняется, они ведут себя под давлением совсем не так, как обычно. Мы научились с помощью нашего метода предсказывать стабильные химические составы — и оказывается, что под давлением возникают соединения, о которых мы даже и не подумали бы, что они возможны. Например, сплавы железа с разными элементами — кремнием, серой, углеродом, водородом, кислородом. Изучая эти системы и сравнивая результаты моделирования с измеренными свойствами внутреннего кристаллического ядра Земли, можно сделать первую гипотезу о том, каков может быть состав. Можно правдоподобно описать внутреннее ядро, используя только углерод. Можно, используя только кислород. Есть еще также модели, в которых содержится кремний и водород, или сера и водород. Нам удалось еще сузить пространство поиска. Вот здесь показана одна из лучших моделей — 88% железо-никелевого сплава, 5% серы, 5% водорода и 2% кислорода. Это одна из лучших моделей на сегодняшний день, но мы продолжаем и дальше ограничивать пространство возможных составов. Может быть, в скором времени у нас будет возможность представить на ваш суд окончательную модель состава ядра.

 

Лекция на Красной площади / Фото: Виктор Чернышов

В системах Fe-H и Fe-C возникает множество необычных соединений. Но самая яркая иллюстрация к таким необычным соединениям — это система Na-Cl. Мы привыкли, что хлорид натрия — это соль, NaCl. Другого состава классическая химия нам не разрешает. Под давлением образуются новые соединения. Вот результаты предсказаний, полученных с помощью нашего метода: под давлением возникают Na2Cl, Na3Cl, Na4Cl3, NaCl3, NaCl7, большинство из которых являются — подумайте! — металлами, то есть соединениями, проводящими электроны. Можно сказать, что это металлический сплав. И это не та химия, к которой мы привыкли. Удивительно. Эти соединения были получены экспериментально.

Такого рода необычные соединения возникают практически во всех химических системах при достаточно высоких давлениях. Любая система, если ее хорошенечко сдавить, тоже даст такие странные соединения.

Система Si-O — тут возникают SiO и SiO3. При нормальных условиях стабиле только SiO2, а под давлением SiO3 и SiO тоже будут стабильны. Смотрим на систему Mg-O: при нормальных условиях только MgO стабилен, а при высоких давлениях также стабильны МgO2, MgO3, Mg3O2.

Очень любопытное предсказание, и вновь подтверждённое экспериментом — это соединение FeO2, это предсказание было сделано китайскими учёными с помощью моей программы. Этот FeO2 возникает в условиях мантии Земли и может служить своего рода аккумулятором кислорода. Идея про кислородный аккумулятор в ее изначальном виде уже опровергнута, но она настолько красива, что, может быть, в каком-то виде и воскреснет. В чем идея? Под давлением становится стабильным соединение FeO2, это экспериментально доказано, это факт. Входящий в состав осадочных пород гидроксид железа (фактически, ржавчина) опускается в ходе субдукции плит, и на глубине преобразуется в FeO2 с выделением водорода. Но вещество мантии Земли находится в состоянии круговорота и пласты, содержащие FeO2, в какой-то момент снова всплывут к поверхности, где давления недостаточны для существования FeO2, и это вещество распадётся с образованием FeO или Fe2O3 и выделением кислорода. То есть, возникает процесс, при котором в глубоких недрах Земли запасается кислород в виде FeO2, и когда это вещество оказывается на меньших глубинах, этот кислород выбрасывается в атмосферу.

Это было использовано для объяснения удивительного явления в истории, серии так называемых «кислородных катастроф», самая важная из которых случилась чуть больше 2 миллиардов лет назад. Здесь есть график, который показывает содержание кислорода в нашей атмосфере. Когда Земля была молодая, никакого кислорода в атмосфере не было (зато было много метана). Кислород появился в больших количествах 2,2 млрд лет назад и с тех пор его содержание росло почти монотонно. Откуда он взялся и почему его содержание росло, вообще говоря, неизвестно. Главенствует гипотеза, что это сине-зеленые водоросли сгенерировали кислород в качестве продукта своей жизнедеятельности, в качестве продукта фотосинтеза. Другое объяснение — FeO2, который выходит с глубин Земли и выделяет этот кислород. Это привело к массовому вымиранию, потому что первичная жизнь была бескислородная; более того, кислород для той первичной жизни был ядом. И жизни на Земле пришлось довольно долго приспосабливаться к кислородной атмосфере. Видно, что в истории Земли был всплеск содержания кислорода в атмосфере, соответствующий грубо жизни динозавров. И это не случайно — такие огромные животные требовали большого количества кислорода для выработки достаточного количества энергии. А потом содержание кислорода пошло на спад. Циклические глобальные вымирания, приходы и уходы живых видов, возможно, связаны с содержанием кислорода в атмосфере.

Вот ещё один совершенно новый поворот: мы предсказали и экспериментально доказали, что под давлением гелий образует соединения Na2He, очень устойчивое и полученное экспериментально. Мы также предсказали, что гелий вступит в реакцию с оксидом натрия Na2O, и образует соединение Na2HeO. После нашей работы вышел ряд работ, в которых было показано, что гелий реагирует с такими соединениями, как H2O, SiO2, MgF2, CaF2, FeO2. Напомню, что геохимики до недавних пор считали, что гелий химически абсолютно инертен и не может удерживаться в недрах Земли — очевидно, что эти представления ошибочны, и гелий под давлением способен образовывать множество устойчивых соединений. Напомню, что гелий — распространённости элемент во Вселенной.

Я надеюсь, что то, что я вам рассказал сегодня, доказало то, что наука едина: химия, физика, геология, астрономия — границы между ними достаточно сильно размыты. Изучая строение и свойства вещества, в частности, при высоких давлениях, мы можем понять очень много и про нашу планету, и про другие миры.

Альтернативный взгляд на внутреннюю структуру мантии Земли

«Предположение, что состав мантии Земли более или менее однороден, основано на относительно простой гипотезе, а именно на том, что мощные конвекционные потоки, протекающие в мантии, которые приводят в движение тектонические плиты, постоянно «перемешивают» ее»

Современное представление строения Земли заключается в том, что химический состав ее мантии относительно однороден. Однако эксперименты, проведенные исследователями ETH, продемонстрировали, что такой взгляд на вещи слишком прост. Результаты проведенного исследования отвечают на ключевые существующие вопросы, стоящие перед земными науками, и задают новые.

Есть места, которые будут недоступны нам всегда. Внутренняя область Земли — одно из них. Однако человек может найти способы понять этот неизведанный мир. Сейсмические волны, например, позволяют получить важные данные, характеризующие структуру нашей планеты и физические свойства материалов, скрытых глубоко внутри нее. Кроме того, существуют вулканические породы, которые выходят в разных местах наружу, давая важные подсказки о химическом составе земной мантии. И, наконец, есть лабораторные эксперименты, позволяющие моделировать условия, возникающие в недрах Земли в небольшом масштабе.

Резкое изменение

Под земной корой, толщиной всего несколько километров, находится мантия. Она состоит из расплавленного камня и окружает ядро планеты, поверхность которого находится примерно на расстоянии 2900 километров под землей. Благодаря сейсмическим сигналам известно, что на глубине около 660 километров в мантии происходит резкое изменение ее структуры: на этом уровне верхняя мантия встречается с нижней, и механические свойства породы начинают отличаться, поэтому на этой границе резко меняется скорость распространения сейсмических волн.

Что пока неясно, так это то, является ли это просто физической границей или же в этот момент также изменяется химический состав породы. Многие геологи предполагают, что структура мантии относительно равномерна и состоит из богатой магнием материи, по составу аналогичной перидотитовой породе, которую можно обнаружить на земной поверхности. Этот посланец из верхней мантии, прибывающий на поверхность Земли в результате извержения вулканов, демонстрируют соотношение магния и кремния, равной ~ 1,3.

«Предположение, что состав мантии Земли более или менее однороден, основано на относительно простой гипотезе, а именно на том, что мощные конвекционные потоки, протекающие в мантии, которые приводят в движение тектонические плиты, постоянно «перемешивают» ее».

Где кремний?

В этой гипотезе действительно есть фундаментальный недостаток. Принято считать, что Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад в результате аккреции метеоритов, находящихся в первичной солнечной туманности, и поэтому имеет тот же общий состав, что и сами эти метеориты. Разделение структуры Земли на ядро, мантию и кору произошло уже на втором этапе.

Не говоря уже о железе и никеле, которые являются частью ядра планеты, становится очевидным, что мантия должна содержать больше кремния, чем перидотитовая порода. Исходя из этих расчетов, соотношение магния и кремния в мантии должно быть ближе к ~ 1, чем ~ 1,3.

Это заставляет геологов задать следующий вопрос: где пропавший кремний? И есть очевидный ответ: в мантии Земли так мало кремния, потому что он находится в ядре Земли. Однако исследователи приходят к другому выводу, а именно к тому, что кремний находится в нижней мантии. Это тогда означало бы, что состав нижней отличается от состава верхней мантии.

Гипотеза слоев

Эта гипотеза основана на следующем: во-первых, уже точно известно, как быстро сейсмические волны проходят через мантию. Во-вторых, лабораторные эксперименты показывают, что нижняя мантия состоит в основном из кремнистого минерала бриджманита и богатого магнием минерала ферропериклаза. В-третьих, известно, что скорость распространения сейсмических волн зависит от упругости минералов, из которых состоит порода. Итак, если известны упругие свойства двух минералов, можно рассчитать пропорции, необходимые для корреляции с наблюдаемой скоростью сейсмических волн каждого из них. После этого можно узнать, каким должен быть химический состав нижней мантии.

В то время как упругие свойства ферропериклаза известны, свойства бриджманита пока неизвестны. Это потому, что эластичность этого минерала во многом зависит от его химического состава. Более конкретно: он варьируется в зависимости от того, сколько железа содержит бриджманит.

Длительные измерения

Исследователи провели эксперименты с минералом различного состава под высоким давлением. Сначала проводилось зажатие небольшого образца между двумя алмазными наконечниками с использованием специального устройства. Образец подвергся чрезвычайно высокому давлению, аналогичному тому, которое присутствует в нижней мантии.

Два алмаза, сжимающие образец, расположены в центре специального контейнера. Затягивание винтов создает давление, аналогичное давлению в нижней мантии. Предоставлено: M. Murakami, ETH Zurich

Во время эксперимента образцы горных пород зажимаются между двумя алмазными наконечниками, размер которых равен приблизительно 0,1 мм. Предоставлено: M. Murakami, ETH Zurich

Далее на образец был направлен лазерный луч и получен на обратной стороне световой спектр. Исследуя смещения в спектре волн, удалось определить упругость минерала при различном давлении.

Кремний обнаружен

Затем значения измерений были использованы для моделирования состава, который лучше всего соответствует распространению сейсмических волн. Результаты подтвердили теорию о том, что состав нижней мантии отличается от состава верхней. «По оценкам, бриджманит составляет от 88 до 93 процентов нижней мантии, что дает в этой области соотношение магний-кремний примерно 1,1». Гипотеза раскрывает тайну пропавшего кремния.

Однако полученные результаты вызывают появление новых вопросов. Известно, например, что в определенных зонах субдукции земная кора вдвигается глубоко в мантию, иногда даже до границы с ядром. Это означает, что верхняя и нижняя мантия на самом деле не являются герметично разделенными объектами. Как эти две области взаимодействуют и как именно динамика внутренней части Земли приводит к образованию химически различных областей мантии, узнать еще предстоит.

 

Источник: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

вода появилась в мантии Земли 2,7 млрд лет назад

Исследователи из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН совместно с коллегами из Франции и Германии подтвердили существование залежей воды в мантии Земли и установили, что вода появилась там не позже 2,7 миллиардов лет назад. Ученые предполагают, что вода из мантии способствовала появлению океанов. Об этом корреспонденту ТАСС рассказал Александр Соболев, ведущий автор статьи с результатами исследования, опубликованной в журнале Nature.

Вода в минералах

В 2014 году канадские ученые опубликовали статью, в которой сообщали о том, что им удалось впервые установить наличие воды в редком минерале рингвудите. Он образуется из оливина — главного минерала мантии Земли, — под давлением в сотни тысяч атмосфер. В кристалле рингвудита, заключенном в алмазе, оказалось 1,5% воды: в мантии, где температура превышает 1,5 тысячи градусов по Цельсию, молекулы воды, в основном, «растворены» в расплавленных горных породах, или находятся в ничтожных концентрациях в твердых минералах.

Рингвудит — крайне редкая находка, так как он и его собрат вадслеит «обитают» на большой глубине 410-660 километров в так называемой транзитной зоне между верхней и нижней мантией Земли. По данным экспериментов, эти минералы способны содержать в сотни раз больше воды, чем оливин. Если найденный исследователями кристалл рингвудита — типичный представитель транзитной зоны, то в ней, по расчетам ученых, должно содержаться несколько океанов воды.

«Возникает вопрос — когда она там появилась? Данные, опубликованные в 2014 году, получены по включению в алмазе, вынесенном из глубокой мантии около 100 миллионов лет назад. Возраст этого алмаза и включенного рингвудита неизвестен. Может быть, несколько сот миллионов, а может быть и несколько миллиардов лет. Наше исследование показывает, что эта вода существовала уже 2,7 миллиарда лет тому назад», — сказал Соболев.

Как «заглянуть» в земную мантию

Для того, чтобы оценить возраст залежей воды в мантии, Соболев и его коллеги исследовали магматическую породу коматиит. В распоряжение исследователей попадают образцы магмы из транзитной зоны, которые вышли на поверхность в составе мантийных плюмов — горячих потоков, поднимающихся в мантии от ядра Земли к ее поверхности со скоростью до нескольких метров в год.

«Мы ищем остатки оливинов в этих породах и заглядываем внутрь них, чтобы найти включения расплава, которые были захвачены 2,7 миллиарда лет назад. Эти капельки расплава размером тоньше человеческого волоса дают нам нужную информацию, так как сохранились в оливине нетронутыми. В них-то мы и нашли воду в количестве 0,6% — в 20-50 раз более того, что можно было предполагать», — рассказал ученый.

Откуда взялись океаны

Исследователи полагают, что транзитная зона в древности могла служить основным источником воды для океанов на поверхности Земли.

Современные мантийные плюмы холоднее тех, что были миллиарды лет назад, коматииты же, образовавшиеся более 2,5 миллиардов лет назад, представляют собой высокую степень плавления мантии. Более горячие плюмы, проходя через транзитную зону, захватывали из нее воду и «тащили» с собой на поверхность, в то время как более холодные плюмы в наше время проходят через транзитную зону, практически не обмениваясь с ней веществом.

«Древние плюмы были на 200 градусов горячее, чем современные: 1 800 против 1 600 градусов Цельсия. Этих 200 градусов достаточно, чтобы плюмы были частично расплавлены в транзитной зоне. В таком случае расплав вбирает в себя воду и выносит ее на поверхность. А современные плюмы выносят воду из нижней мантии, где ее не очень много», — пояснил Соболев.

Как и когда вода попала в мантию?

До сих пор считалось, что вода попадает в глубокую мантию Земли в результате процесса движения литосферных плит. Уходя вниз, плита уносит с собой то, что было на ее поверхности, в том числе «тащит» за собой воду в составе водосодержащих минералов, образующихся на дне океанов. Часть этой воды в конце концов попадает в переходную зону земной мантии, где сохраняется в глубинных родственниках оливина — рингвудите и вадслеите.

«Однако движение литосферных плит на Земле, по- видимому, началось не сразу. По крайней мере 3 миллиарда лет назад, а может быть даже позже. А мы показали, что избыток воды уже был в переходной зоне 2,7 миллиарда лет тому назад. Что-то не сходится: либо тектоника плит началась раньше, либо вода туда попала с самого начала образования Земли. Это один из основных вопросов, которые появились в результате нашего исследования», — объяснил ученый.

Для того, чтобы изучить этот вопрос, Соболев и его коллеги в настоящее время проводят аналогичное исследование на коматиитах возрастом 3,5 миллиарда лет.

«Я думаю, что вода, вероятно, была занесена астероидами или кометами на ранней стадии образования Земли, около четырех миллиардов лет назад, когда планета уже сформировалась в виде шара. Вопрос, когда именно это произошло и сколько воды, пока не решен, но я думаю, что мы его поднимем в самое ближайшее время. В этом нам помогает поддержка Российского научного фонда и исключительные современные возможности анализа микроскопических количеств вещества», — заключил исследователь.

ЛИТОСФЕРА | Энциклопедия Кругосвет

ЛИТОСФЕРА – внешняя сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии (рис. 1).

Толщина коры под континентами составляет, в среднем, 35–40 км. Там, где на суше расположены молодые высокие горы, она часто превышает 50 км (например, под Гималаями достигает 90 км). Под океанами кора более тонкая – в среднем около 7–10 км, а в некоторых районах Тихого океана – всего 5 км.

Границы земной коры определяются по скорости распространения сейсмических волн. Сейсмические волны дают информацию и о свойствах мантии. Установлено, что верхняя мантия состоит, главным образом, из силикатов магния и железа. Состав нижней мантии остается загадкой, однако высказывается предположение, что она содержит оксиды магния и кремния. Заключения о составе земного ядра были сделаны на основании не только анализа сейсмических волн, но и расчетов плотности и изучения состава метеоритов. Считается, что внутреннее ядро представляет собой твердый сплав железа и никеля. Внешнее ядро, по-видимому, жидкое и имеет несколько меньшую плотность. Некоторые специалисты считают, что оно содержит до 14% серы.

Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались, в основном, в результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. Сейчас время в срединных хребтах на дне океанов продолжается формирование океанической коры, сопровождающееся выделением газов и небольших количеств воды. По-видимому, и образование коры на молодой Земле было результатом подобных процессов, вследствие чего сформировалась тонкая оболочка, составляющая менее 0,0001% объема всей планеты. Состав этой оболочки, образующей континентальную и океаническую кору, изменялся во времени, прежде всего, за счет перехода элементов из мантии из-за частичного плавления на глубине примерно 100 км. Средний химический состав современной земной коры характеризуется большим содержанием кислорода, за которым следуют кремний и алюминий (рис. 2).

Средние значения относительного содержания химических элементов в верхнем слое земной коры по предложению советского геохимика А.Е.Ферсмана (1883–1945) называют кларками элементов в честь американского ученого Франка Уилгсуорта Кларка (1847–1931), который разработал методы количественной оценки распространенности химических элементов.

Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять порядков. Так, если алюминия в земной коре содержится более восьми процентов по массе, то, например, золота 4,3·10-7 %, меди – 5·10-3 %, урана – 3·10–4%, а такого редкого металла, как рений – всего 7·10–8 %.Элементы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют в природе многочисленные самостоятельные химические соединения, а элементы с малыми кларками рассеяны, преимущественно, среди химических соединений других элементов. Элементы, кларки которых меньше 0,01%, называют редкими.

Основными соединениями, образующими литосферу, являются диоксид кремния, силикаты и алюмосиликаты. Бóльшую часть литосферы составляют кристаллические вещества, образовавшиеся при охлаждении магмы – расплавленного вещества в глубинах Земли. При остывании магмы образовывались и горячие растворы. Проходя по трещинам в окружающих горных породах, они охлаждались и выделяли содержащиеся в них вещества.

Поскольку некоторые минералы стабильны только при определенных условиях, при изменении температуры и давления они распадаются. Например, ряд силикатов, образующихся глубоко в коре при высоких температуре и давлении, становятся неустойчивыми, когда попадают на поверхность Земли. С другой стороны, на большой глубине под действием внутреннего тепла Земли и повышенного давления многие горные породы меняют свой вид, образуя новые кристаллические формы.

Поверхность континентальной коры подвержена действию атмосферы и гидросферы, что выражается в процессах выветривания. Физическое выветривание является механическим процессом, в результате которого порода размельчается до частиц меньшего размера без существенных изменений в химическом составе. Химическое выветривание приводит к образованию новых веществ, оно происходит под действием влаги, особенно подкисленной, и некоторых газов (например, кислорода), разрушающих минералы.

Простейший процесс выветривания – это растворение минералов. Вода вызывает разрыв ионных связей, соединяющих, например, катионы натрия и хлорид ионы в галите NaCl. В этом процессе не участвуют катионы водорода, поэтому он не зависит от рН.

При разрушении веществ, содержащих элементы в низких степенях окисления, например, сульфидов, большую роль играет кислород. В эти процессы часто вовлечены микроорганизмы. Так, окисление пирита FeS2 можно моделировать следующим рядом реакций. Сначала окисляется сера(–I):

2FeS2 + 2H2O + 7O2 = 4H+ + 4SO42– + 2Fe2+

Затем следует окисление железа(II), катализируемое железоокисляющими бактериями:

4Fe2+ + O2 + 6H2O = 4FeO(OH) + 8H+

Образующийся гетит FeO(OH) покрывает дно ручьев в виде характерного желто-оранжевого налета.

Железоокисляющие бактерии извлекают энергию при окислении неорганических веществ, поэтому они развиваются там, где нет органических соединений, используя в качестве источника углерода СО2. Однако окисление железа – не очень эффективный способ выработки энергии: для получения 1 г клеточного углерода должно быть окислено примерно 220 г железа(II). В результате там, где живут железоокисляющие бактерии, образуются большие отложения соединений железа(III).

Выветривание карбонатных минералов, например CaCO3, происходит при взаимодействии с кислотами, содержащимися в воде за счет поглощения диоксида углерода, а также антропогенного диоксида серы. При этом поверхностные воды нейтрализуются и обогащаются гидрокарбонат-ионами:

CaCO3 + H2CO3 = Ca2+ + 2HCO3

Разрушение силикатов, например Mg2SiO4 (форстерит) можно описать следующим уравнением:

Mg2SiO4 + 4H2CO3 = 2Mg2+ + 4HCO3 + H4SiO4

Реакция идет за счет образования чрезвычайно слабой ортокремниевой кислоты, при этом минерал со временем полностью растворяется. Однако при выветривании более сложных силикатов растворимыми оказываются не все продукты. В общем случае в результате выветривания образуются, в основном, кварц и глинистые минералы – водосодержащие слоистые алюмосиликаты. Например, при выветривании CaAl2Si2O8 (анортит) твердым продуктом реакции является глинистый минерал каолинит:

CaAl2Si2O8 + 2H2CO3 + H2O = Ca2+ + 2HCO3 + Al2Si2O5(OH)4

На скорость выветривания влияет биосфера (где создается диоксид углерода), а также рельеф суши и климат, состав воды, тип материнской породы и кинетика реакций с участием отдельных минералов. Так, во влажных тропиках выветривание происходит быстрее. Это связано с тем, что высокие температуры ускоряют реакции, а постоянные ливни делают возможным быстрое вымывание и снос в моря и океаны даже практически нерастворимых соединений, например, оксидов алюминия и железа.

Продукты выветривания образуют рыхлые континентальные отложения, мощность которых меняется от 10–20 см на крутых склонах до десятков метров на равнинах и сотен метров – во впадинах. Средний минералогический состав рыхлого покрова суши заметно отличается от состава земной коры континентов (рис. 3).

На рыхлых покровных отложениях сформировались почвы, играющие важнейшую роль во взаимодействии живых организмов с земной корой. В почвах систематически консервируется значительная масса органического вещества, синтезированного высшими растениями. Окисление органического вещества в почвах катализируется ферментами микроорганизмов, при этом образуется диоксид углерода, который при взаимодействии с водой дает слабую угольную кислоту. Это может понизить рН почв до 4–5, что оказывает существенное влияние на процессы выветривания. Почва участвует в круговороте азота, серы и фосфора, а также многих металлов. Поэтому проблема охраны почв имеет большое значение.

На ранних этапах истории человечества деятельность людей почти не затрагивала глубины Земли. Однако с началом бурного развития промышленности резко возросли потребности человека в полезных ископаемых. Их добыча и переработка начали оказывать вредное воздействие на природу. При разработке открытых горных выработок образуется много пыли, загрязняющей окрестности. Огромные площади занимают отвалы «пустой» породы, образующиеся при добыче твердых полезных ископаемых. Откачка воды из горных выработок приводит к образованию подземных пустот. Многие горнодобывающие предприятия сбрасывают в реки недостаточно очищенные стоки, что ведет к загрязнению природных вод. В окружающую среду попадают вредные вещества из отвалов этих предприятий. Немало опасных веществ рассеивается при транспортировке руд и продуктов их переработки.

Загрязнение окружающей среды в результате добычи и переработки полезных ископаемых можно уменьшить, если использовать достижения науки и более совершенные технологии.

Елена Савинкина

Состав и структура Земли

Ядро, мантия и кора — подразделения в зависимости от состава. Кора составляет менее 1 процента Земли по массе, состоит из океанической коры, а континентальная кора часто является более кислой породой. Мантия горячая и составляет около 68 процентов массы Земли. Наконец, сердечник в основном состоит из металлического железа. Ядро составляет около 31% Земли. Литосфера и астеносфера — подразделения, основанные на механических свойствах. Литосфера состоит как из коры, так и из части верхней мантии, которая ведет себя как хрупкое твердое тело.Астеносфера — это частично расплавленный материал верхней мантии, который ведет себя пластично и может течь. Эта анимация от Earthquide показывает слои по составу и механическим свойствам.

Кора и литосфера

Внешняя поверхность Земли — это ее кора; холодная, тонкая, хрупкая внешняя оболочка из камня. Кора очень тонкая по сравнению с радиусом планеты. Есть два очень разных типа корки, каждый со своими отличительными физическими и химическими свойствами. Океаническая кора состоит из магмы, которая извергается на морское дно, создавая потоки базальтовой лавы, или остывает глубже, создавая интрузивные магматические породы габбро. Морское дно покрывают отложения, в основном грязь и раковины крошечных морских существ. Осадки наиболее толсты у берега, там, где они смываются с континентов реками и ветровыми течениями. Континентальная кора состоит из множества различных типов магматических, метаморфических и осадочных пород. Средний состав — гранит, гораздо менее плотный, чем основные магматические породы океанической коры.Поскольку континентальная кора толстая и имеет относительно низкую плотность, она поднимается выше над мантией, чем океаническая кора, которая опускается в мантию, образуя бассейны. Наполненные водой, эти бассейны образуют океаны планеты. Литосфера — это внешний механический слой, который ведет себя как хрупкое твердое тело. Толщина литосферы составляет около 100 километров. Определение литосферы основано на том, как ведут себя земные материалы, поэтому она включает кору и самую верхнюю мантию, которые обе являются хрупкими.Поскольку он жесткий и хрупкий, при воздействии на литосферу напряжений он ломается. Это то, что мы переживаем как землетрясение.

Мантия

Две самые важные особенности мантии: (1) она сделана из твердой породы и (2) она горячая. Ученые знают, что мантия состоит из горных пород, основываясь на данных сейсмических волн, теплового потока и метеоритов. Свойства соответствуют перидотиту ультраосновной породы, который состоит из силикатных минералов, богатых железом и магнием. Перидотит редко встречается на поверхности Земли.Ученые знают, что мантия очень горячая из-за истекающего от нее тепла и из-за ее физических свойств. Тепло течет внутри Земли двумя разными способами: теплопроводностью и конвекцией. Проводимость определяется как теплопередача, которая происходит за счет быстрых столкновений атомов, которые могут происходить только в том случае, если материал твердый. Тепло перетекает из более теплых мест в более прохладные, пока все не достигнут одинаковой температуры. Мантия горячая в основном из-за тепла, отводимого от ядра. Конвекция — это процесс, в котором материал может двигаться, и при его течении могут возникать конвекционные токи.Конвекция в мантии — это то же самое, что конвекция в горшочке с водой на плите. Конвекционные токи в мантии Земли образуются при нагревании материала вблизи ядра. Когда ядро ​​нагревает нижний слой мантийного материала, частицы движутся быстрее, уменьшая его плотность и заставляя подниматься. Поднимающийся материал запускает конвекционный поток. Когда теплый материал достигает поверхности, он распространяется по горизонтали. Материал остывает, потому что его больше нет рядом с сердцевиной. Со временем он становится достаточно холодным и плотным, чтобы снова погрузиться в мантию.Внизу мантии материал движется горизонтально и нагревается ядром. Он достигает места, где поднимается теплый мантийный материал, и мантийная конвективная ячейка завершается.

Конвекция в мантии — это то же самое, что конвекция в горшочке с водой на плите. Конвекционные токи в мантии Земли образуются при нагревании материала вблизи ядра. Когда ядро ​​нагревает нижний слой мантийного материала, частицы движутся быстрее, уменьшая его плотность и заставляя подниматься.Поднимающийся материал запускает конвекционный поток. Когда теплый материал достигает поверхности, он распространяется по горизонтали. Материал остывает, потому что его больше нет рядом с сердцевиной. Со временем он становится достаточно холодным и плотным, чтобы снова погрузиться в мантию. Внизу мантии материал движется горизонтально и нагревается ядром. Он достигает места, где поднимается теплый мантийный материал, и мантийная конвективная ячейка завершается.

Ядро

В центре планеты находится плотное металлическое ядро.Ученые знают, что ядро ​​металлическое по нескольким причинам. Плотность поверхностных слоев Земли намного меньше общей плотности планеты, рассчитанной на основе вращения планеты. Если поверхностные слои менее плотные, чем в среднем, то внутренняя часть должна быть плотнее средней. Расчеты показывают, что ядро ​​на 85 процентов состоит из металлического железа, а металлический никель составляет большую часть из оставшихся 15 процентов. Также считается, что металлические метеориты представляют собой ядро. Если бы ядро ​​Земли не было металлическим, на планете не было бы магнитного поля.Металлы, такие как железо, являются магнитными, а горные породы, составляющие мантию и кору, — нет. Ученые знают, что внешнее ядро ​​жидкое, а внутреннее твердое, потому что S-волны останавливаются на внутреннем ядре. Сильное магнитное поле вызвано конвекцией в жидком внешнем ядре. Конвекционные токи во внешнем сердечнике возникают из-за тепла от еще более горячего внутреннего сердечника. Тепло, которое не дает затвердеть внешнему ядру, создается за счет разрушения радиоактивных элементов во внутреннем ядре.

химический элемент | Определение, происхождение, распространение и факты

Химический элемент , также называемый элементом , любое вещество, которое не может быть разложено на более простые вещества обычными химическими процессами.Элементы — это фундаментальные материалы, из которых состоит вся материя.

Британская викторина

27 правильных или ложных вопросов из самых сложных викторин «Британника»

Что вы знаете о Марсе? Как насчет энергии? Думаете, будет проще, если вам придется выбирать только истину или ложь? Узнайте, что вы знаете о науке, с помощью этой сложной викторины.

В этой статье рассматривается происхождение элементов и их распространенность во Вселенной. Подробно рассматривается геохимическое распределение этих элементарных веществ в земной коре и недрах, а также их присутствие в гидросфере и атмосфере. В статье также рассматривается периодический закон и табличное расположение элементов на его основе. Для получения подробной информации о соединениях элементов, см. химическое соединение.

Редакция Британской энциклопедии

Общие наблюдения

В настоящее время известно 118 химических элементов. Около 20 процентов из них не существуют в природе (или присутствуют только в следовых количествах) и известны только потому, что были синтетически получены в лаборатории. Из известных элементов 11 (водород, азот, кислород, фтор, хлор и шесть благородных газов) являются газами при обычных условиях, два (бром и ртуть) являются жидкостями (еще два, цезий и галлий, плавятся примерно при температуре выше комнатной температуры), а остальное — твердые частицы.Элементы могут объединяться друг с другом, образуя широкий спектр более сложных веществ, называемых соединениями. Число возможных соединений практически бесконечно; возможно, известен миллион, и каждый день открывается все больше. Когда два или более элемента объединяются в соединение, они теряют свою индивидуальность, и продукт имеет характеристики, совершенно отличные от характеристик составляющих элементов. Газообразные элементы водород и кислород, например, с совершенно разными свойствами, могут объединяться с образованием сложной воды, которая имеет совершенно другие свойства, чем кислород или водород.Очевидно, что вода не является элементом, потому что она состоит из двух веществ, водорода и кислорода, и фактически может быть химически разложена на них; эти два вещества, однако, являются элементами, потому что они не могут быть разложены на более простые вещества никаким известным химическим процессом. Большинство образцов естественного вещества представляют собой физические смеси соединений. Например, морская вода представляет собой смесь воды и большого количества других соединений, наиболее распространенным из которых является хлорид натрия или поваренная соль. Смеси отличаются от соединений тем, что их можно разделить на составные части с помощью физических процессов; например, простой процесс испарения отделяет воду от других компонентов морской воды.

Историческое развитие концепции элемента

Современная концепция элемента однозначна, поскольку она зависит от использования химических и физических процессов как средства отделения элементов от соединений и смесей. Однако существование фундаментальных веществ, из которых состоит вся материя, было основой многих теоретических предположений с самого начала истории. Древнегреческие философы Фалес, Анаксимен и Гераклит предполагали, что вся материя состоит из одного существенного принципа — элемента.Фалес считал, что этот элемент — вода; Анаксимен предложил воздух; и Гераклит, огонь. Другой греческий философ, Эмпедокл, выразил иную веру — что все вещества состоят из четырех элементов: воздуха, земли, огня и воды. Аристотель согласился и подчеркнул, что эти четыре элемента являются носителями фундаментальных свойств: сухость и тепло связаны с огнем, тепло и влага — с воздухом, влажность и холод — с водой, а холод и сухость — с землей. В мышлении этих философов все другие вещества должны были быть комбинациями четырех элементов, и считалось, что свойства веществ отражают их элементный состав.Таким образом, греческая мысль заключала в себе идею о том, что вся материя может быть понята в терминах элементарных качеств; в этом смысле сами элементы считались нематериальными. Греческое понятие элемента, которое было принято почти 2000 лет, содержало только один аспект современного определения, а именно, что элементы обладают характерными свойствами.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Во второй половине средневековья, когда алхимики стали более изощренными в своих знаниях о химических процессах, греческие концепции состава материи стали менее удовлетворительными.Были введены дополнительные элементарные качества, чтобы приспособиться к недавно обнаруженным химическим превращениям. Таким образом, сера стала олицетворять горючесть, ртуть — летучесть или текучесть, а соль — стойкость в огне (или негорючесть). Эти три алхимических элемента или принципа также представляют собой абстракции свойств, отражающих природу материи, а не физических субстанций.

Важное различие между смесью и химическим соединением в конце концов было понято, и в 1661 году английский химик Роберт Бойль осознал фундаментальную природу химического элемента.Он утверждал, что четыре греческих элемента не могут быть настоящими химическими элементами, потому что они не могут соединяться с образованием других веществ и не могут быть извлечены из других веществ. Бойль подчеркивал физическую природу элементов и соотносил их с соединениями, которые они образуют, современными методами.

В 1789 году французский химик Антуан-Лоран Лавуазье опубликовал то, что можно считать первым списком элементарных веществ, основанным на определении Бойля. Список элементов Лавуазье был составлен на основе тщательного количественного исследования реакций разложения и рекомбинации.Поскольку он не мог проводить эксперименты по разложению определенных веществ или формированию их из известных элементов, Лавуазье включил в свой список элементов такие вещества, как известь, глинозем и кремнезем, которые, как теперь известно, являются очень стабильными соединениями. На то, что Лавуазье все еще сохранилось влияние древнегреческой концепции элементов, указывает его включение света и тепла (калорийность) в число элементов.

Семь веществ, признанных сегодня элементами, — золото, серебро, медь, железо, свинец, олово и ртуть — были известны древним, поскольку встречаются в природе в относительно чистой форме.Они упоминаются в Библии и в раннем индуистском медицинском трактате Caraka-samhita . Шестнадцать других элементов были открыты во второй половине 18 века, когда методы отделения элементов от их соединений стали более понятными. Еще восемьдесят два последовали после внедрения количественных аналитических методов.

Земная кора




Регионы Земли

Во-первых, давайте рассмотрим строение Земли.Планета состоит из трех основных оболочек: очень тонкой, хрупкой коры, мантии и ядра. Ядро составляет лишь 15 процентов объема Земли, тогда как мантия занимает 84 процента. Корочка составляет оставшийся 1 процент. Состав коры сильно отличается от состава Земли в целом. Тяжелые элементы отделены к центру, а более легкие — к поверхности.


Состав

Наиболее распространены минералы, имеющие химический состав состоит из общих элементов, содержащихся в их среда.

Земная кора на 95% состоит из магматических и метаморфических пород. породы, 4% сланца, 0,75% песчаника и 0,25% известняка. В континентальная кора имеет средний состав, приблизительно равный гранодиорит (от среднего до кремнистого магматического камня), тогда как океанический кора имеет средний состав, который является базальтовым (с низким содержанием кремнезема вулканическая порода).

Элемент Вес% Атом.% Объем%
O 46.60 62,55 ~ 94
Si 27,72 21,22 ~ 6
Al 8,13 6,47
Fe 5,00 1,92
Ca 3,63 1,94
Na 2.83 2,34
К 2,59 1,42
мг 2,09 1,84
Всего 98,59 100,00 100

Как видно из таблицы выше, кислород является наиболее распространенным минералом в земной коре, а наиболее распространенными минералами являются силикаты.(Мы поговорим об этом в следующий раз.)

Карбонаты также очень важны на поверхности Земли, потому что эти минералы образуются прямо или косвенно из углекислого газа в атмосфере.



Кора

Породы, составляющие кору, можно разделить на три типа.
  • Осадочные породы — породы, которые образуются в результате литификации отложений, химического осаждения или прямого биогенного осаждения. Некоторые распространенные типы — песчаник, сланец, уголь, известняк и коралл.
  • Магматические породы — камни, которые охлаждаются магмой. Два самых распространенных типа — это гранит и базальт.
  • Метаморфические породы — породы, которые были изменены под воздействием высоких давлений, температур и / или химической реакции еще в твердом состоянии. Двумя распространенными типами являются мрамор, который получают из известняка, и сланец, получаемый из сланца.

Мантия

Мантия состоит в основном из силикатов железа и магния. Температура увеличивается с глубиной от 870 до 2200 градусов Цельсия.

Ядро

Ядро в основном состоит из горячего (выше 5000 ° C!) Металлического никеля и железа. Внешнее ядро ​​жидкое, но внутреннее твердое из-за более высокого давления.


Минеральный состав: плотная упаковка

Во многих минералах ионы имеют плотноупакованную структуру. То есть более крупные ионы, обычно анионы, упаковываются как можно плотнее, чтобы минимизировать пустое пространство. Ионы меньшего размера, обычно катионы, занимают дырки в структуре. Плотноупакованные структуры начинаются с гексагонально упакованного слоя.Представьте себе, что каждый анион — это сфера. Вокруг него упакованы 6 других анионов.

В любом плотноупакованном массиве ионов есть как октаэдрические, так и тетраэдрические дырки, в которых могут находиться ионы меньшего размера.

На этом рисунке изображены три слоя ионов. Посмотрите на первый слой. Есть отверстия, окруженные 3 из этих анионов.

Мы добавляем второй слой (красный), чтобы каждый ион помещался в углубление в слое под ним. Некоторые дыры в первом слое закрыты другим ионом во втором слое.Это четырехгранные отверстия. Другие отверстия не закрываются таким образом. Катион большего размера мог бы поместиться в эти октаэдрические отверстия, которые окружены 3 анионами из одного слоя и 3 из другого слоя.

Третий слой покрывает эти октаэдрические отверстия в наслоении ABC кубической плотноупакованной структуры (ccp). Если бы третий слой находился в положении, идентичном первому, структура имела бы гексагональную плотную упаковку (ГПУ).

    Наименьшей единицей, которая при повторении дает структуру материала, является элементарная ячейка.Ниже представлены три элементарные ячейки гексагональной плотноупакованной (ГЦК) структуры. Элементарная ячейка обозначена прямоугольником. Вы можете видеть, что нижний и верхний слои одинаковы для этой упаковки ABA …
    Слои в элементарной ячейке кубической плотноупакованной структуры труднее увидеть, поскольку они расположены по диагонали ячейки. В одной вершине находится один атом из слоя A, а в противоположной вершине — другой атом из следующего слоя A, поэтому элементарная ячейка содержит части слоев ABCA.



Прочие конструкции

Некоторые минералы образуют менее компактные структуры, чем два указанных выше. Кубические структуры имеют один слой непосредственно поверх другого. Объемноцентрированная кубическая упаковка анионов подобна кубической упаковке с дополнительным анионом в каждом кубическом отверстии. Наименьшей единицей, которая при повторении дает структуру материала, является элементарная ячейка. Элементарная ячейка для кубической, объемно-центрированной кубической и гранецентрированной кубической показана ниже. Гранецентрированный кубик — это еще одно название кубического плотноупакованного.

Элементарные ячейки можно классифицировать по их размерам (высота, ширина, длина; a, b, c) и углам.

Назад Компас Индекс Вступление Facebook Следующий

Какие четыре элемента составляют почти 90% Земли?

Обновлено 16 февраля 2020 г.

Кевин Бек

Проверено: Lana Bandoim, B.S.

Если вас попросят перечислить химические элементы, из которых состоит большая часть Земли, вы можете быть удивлены, насколько сложно угадать правильные элементы, не зная больше, чем средний человек, обо всей этой грязи, камнях и металле под ногами.(Вы также хотели бы знать, задавался ли ваш вопросник о составе атмосферы на выше Земли, что также является распространенной темой в науках о Земле.)

Элементы — это разные виды атомов, и по состоянию на 2020 год 118 из них были выявлено, 92 из которых встречаются в значительных количествах в природе. Хотя невозможно знать наверняка точный состав более глубоких слоев Земли, одни только четыре элемента составляют почти 90 процентов самой верхней части Земли, или коры; Еще четыре составляют девять десятых остатка.

Слои Земли

Более или менее сферическая Земля, примерно 8000 миль (чуть менее 13000 километров или км) через середину, разделена на три геологических слоя:

  • Очень тонкая кора простирается вниз от поверхности, толщиной около 3 миль (5 км);
  • a мантия около 1800 миль

    (2890 км)

    толщиной, состоящая в основном из магниевых и железных пород; * Ядро толщиной около 2200 миль (3400 км), включающее твердый железный центр, окружающий расплавленное (горячее жидкое) «кольцо» из железа и никеля (см. ниже).

Земная кора почти полностью состоит из восьми элементов, на четыре из которых приходится почти девять десятых от общего веса этого слоя: кислорода составляет 46,6 процента по массе, за ним следует кремний с 27,7 процента, алюминий 8,1 процента и железо 5 процентов.

  • Остальные элементы корки — кальций, 3,6%; натрий 2,8 процента, калий 2,6 процента и магний 2,1 процента.

Почти 100 процентов массы ядра Земли состоит из двух элементов — железа и никеля.Ученые пришли к такому выводу, зная, что ядро ​​должно быть в 13 раз плотнее воды, оставляя лишь некоторую комбинацию расплавленного железа и никеля в качестве вероятных кандидатов.

Самые многочисленные элементы на Земле

Кислород : Этот знакомый элемент, номер 6 в периодической таблице элементов, составляет около 47 процентов массы земной коры и, к счастью, в изобилии содержится в атмосфере. . Он также является основным компонентом воды по массе.

Поскольку атомы кислорода легче по сравнению с другими преобладающими элементами в земной коре, тот факт, что их общая масса составляет почти половину коры, означает, что доля атомов кислорода , состоящая из кислорода, даже больше, чем массовая доля .

Кремний : Этот элемент, номер 14 в периодической таблице, существует в виде твердого кристалла. Он плохо реагирует с большинством других элементов, но долгое время не поддавался выделению химиками из-за его сродства к кислороду и, следовательно, его тенденции оставаться «замаскированным» под оксид кремния.

  • Кремний не следует путать с силиконом , который представляет собой полимер, состоящий из кремния, кислорода и других элементов. Обычно используется в маслах, консистентных смазках и других физических средах.

Алюминий : Этот металл находится под номером 13 в периодической таблице, имеет один атомный номер и, следовательно, на один протон меньше кремния. Он немагнитен и обладает высокой реакционной способностью, поэтому чистый алюминий встречается редко. Вместо этого его обычно находят в скалах и в сочетании с другими соединениями

Железо : Железо с атомным номером 26 является известным элементом, жизненно важным как в строительстве, так и в технике (железо составляет почти всю массу большинства видов металлов. , сталь , например) и физиология человека (железо является необходимым компонентом связывающих кислород красных кровяных телец или эритроцитов в вашем кровотоке).Он находится во всех трех слоях Земли в значительных количествах.

слоев Земли — SEG Wiki

Вид в разрезе слоев Земли.

Ученые определяют и описывают недра Земли с помощью глубокого бурения и сейсмической томографии. Эти методы позволили исследователям узнать о внутренней химической и физической структуре Земли.

Слои по химическому составу

Во время раннего формирования Земли планета претерпела период дифференциации, который позволил самым тяжелым элементам опускаться к центру, а более легким — подниматься на поверхность.Внутренний слой Земли можно определить по полученному химическому составу. Три основных слоя Земли включают кору (1 процент от объема Земли), мантию (84 процента) и ядро ​​(внутренний и внешний вместе 15 процентов). [1]

Корка

Твердая кора — самый внешний и самый тонкий слой нашей планеты. Кора имеет толщину в среднем 25 миль (40 километров) и разделена на пятнадцать основных тектонических плит, которые жесткие в центре и имеют геологическую активность на границах, такую ​​как землетрясения и вулканизм.

Наиболее распространенные элементы в земной коре включают (указаны здесь в массовых процентах) кислород, кремний, алюминий, железо и кальций. Эти элементы вместе образуют самые распространенные минералы в земной коре, члены семейства силикатов — плагиоклаз и щелочные полевые шпаты, кварц, пироксены, амфиболы, слюды и глинистые минералы.

Все три типа горных пород (магматические, осадочные и метаморфические) можно найти в земной коре. Материал земной коры классифицируется как океаническая кора или континентальная кора.Океаническая кора лежит в основе наших океанических бассейнов, она тонкая, толщиной около 4 миль (7 километров) и состоит из плотных пород, в первую очередь из вулканического базальта. Континентальная кора более толстая, от 6 до 47 миль (от 10 до 75 километров), и в ней много менее плотных магматических гранитов. Самые старые породы на нашей планете являются частью континентальной коры и имеют возраст примерно 4 миллиарда лет. Кора океана постоянно перерабатывается в системе тектоники плит нашей планеты, и возникла она только примерно 200 миллионов лет назад.

Интегрированная программа морского бурения (IODP) пробурила глубину коры океана (4 644 фута ниже морского дна), но еще не пробила следующий слой, мантию. [2] Граница между корой и подстилающей мантией называется разрывом Мохоровича, часто называемым Мохо.

Мантия

Материал мантии горячий (от 932 до 1652 градусов по Фаренгейту, от 500 до 900 градусов по Цельсию), плотный и движется как полутвердый камень. Мантия имеет толщину 1 802 мили (2 900 км) и состоит из силикатных минералов, похожих на те, что обнаружены в коре, за исключением того, что они содержат больше магния и железа и меньше кремния и алюминия.

Основание мантии на границе с внешним ядром называется разрывом Гутенберга. Именно на этой глубине (1 802 мили, 2 900 км) вторичные волны землетрясений или S-волны исчезают, поскольку S-волны не могут проходить через жидкость.

Ученые используют сейсмическую томографию для построения трехмерных изображений мантии, но все еще существуют ограничения технологии полного картирования недр Земли. [3]

Наружное ядро ​​

Внешнее ядро ​​состоит в основном из железа и никеля, причем эти металлы находятся в жидкой форме.Внешнее ядро ​​имеет температуру от 7 200 до 9 000 градусов по Фаренгейту (от 4 000 до 5 000 градусов по Цельсию) и, по оценкам, имеет толщину 1430 миль (2300 км). Это движение жидкости во внешнем ядре, которое генерирует магнитное поле Земли.

Внутреннее ядро ​​

Внутреннее ядро ​​- самая горячая часть нашей планеты, где температура составляет от 9000 до 13000 градусов по Фаренгейту (от 5000 до 7000 градусов по Цельсию). Этот твердый слой меньше нашей Луны и имеет толщину 750 миль (1200 км) и состоит в основном из железа.Железо находится под таким сильным давлением со стороны вышележащей планеты, что не может плавиться и остается в твердом состоянии.

Считается, что твердое внутреннее ядро ​​образовалось относительно недавно, около полмиллиарда лет назад. [4] В феврале 2015 года ученые сообщили в журнале Nature Geoscience о своем открытии, что внутреннее ядро ​​на самом деле может быть двумя отдельными ядрами со сложными структурными свойствами, где кристаллы железа во внешнем слое внутреннего ядра ориентированы с севера на юг. , а кристаллы железа во внутреннем ядре ориентированы с востока на запад. [5] Это новое открытие может помочь ученым больше узнать об истории и формировании планеты Земля.

Слои на основе физических свойств

Земля разделена на слои на основе механических свойств в дополнение к слоям состава, описанным выше.

Литосфера

Литосфера — это самый внешний слой Земли толщиной ~ 100 км, определяемый ее механическими свойствами. Этот жесткий слой включает хрупкую верхнюю часть мантии и кору.Литосфера разделена на 15 основных тектонических плит, и именно на границе этих плит происходят основные тектонические явления, такие как землетрясения и вулканы. Литосфера содержит океаническую и континентальную кору, возраст и мощность которой различаются в зависимости от местоположения и геологического времени. Литосфера — это самый холодный слой Земли с точки зрения температуры, а тепло из нижних слоев порождает движения плит. Термин «литосфера» не следует путать с использованием термина «геосфера», который используется для обозначения всех систем Земли, включая атмосферу, гидросферу и биосферу.

Астеносфера

Астеносфера включает верхнюю часть мантии, которая является очень вязкой и механически слабой. Граница литосферы и астеносферы (LAB) — это место, где геофизики отмечают разницу в пластичности (а измеряет способность твердого материала деформироваться или растягиваться под действием напряжения) между двумя слоями. Эта граница в верхней мантии отмечается на изотерме 1300–С. Выше изотермы отмечается, где мантия ведет себя жестко, а ниже — пластично.Считается, что именно пластичные породы в верхней части астеносферы находятся в зоне движения огромных твердых и хрупких литосферных плит земной коры. Сейсмические волны относительно медленно проходят через астеносферу.

Мезосфера

Мезосфера относится к мантии в области под литосферой и астеносферой, но выше внешнего ядра. Верхняя граница определяется как резкое увеличение скорости и плотности сейсмических волн на глубине 660 километров (410 миль).Этот слой не следует путать с атмосферной мезосферой.

См. Также

Список литературы

  1. ↑ Робертсон, Юджин К. (14 января 2011 г.). Внутреннее пространство Земли. [1] Геологическая служба США. По состоянию на 11 марта 2015 г.
  2. ↑ Бритт, Роберт Рой. (7 апреля 2005 г.). Отверстие, пробуренное на дно земной коры, прорыв к мантийным ткацким станкам. [2] По состоянию на 11 марта 2015 г.
  3. ↑ Foulger, G.R., и 11 дополнительных авторов. (25 августа 2015 г.). Что лежит в глубине мантии внизу? [3] По состоянию на 26 августа 2015 г.
  4. ↑ Дэвис, Кристофер; Поццо, Моника; и Алфе, Дарио. (2015). Ограничения, обусловленные свойствами материала, на динамику и эволюцию ядра Земли. [4]. По состоянию на 30 августа 2015 г.
  5. ↑ Ван, Дао; Сун, Сяодун; и Ся, Хан Х. (9 февраля 2015 г.). Экваториальная анизотропия во внутренней части внутреннего ядра Земли из-за автокорреляции кода землетрясения. [5]. По состоянию на 11 марта 2015 г.

Внешние ссылки

  • Для учителей K-12, на сайте National Geographic Education: кора, мантия, ядро, литосфера,
  • Эггер, А.2003. Visionlearning Vol. EAS (1), [6]

Кора, мантия и ядро ​​- Физическая геология, Первый университет Саскачевана, издание

Земля состоит из трех основных слоев: кора , мантия и ядро ​​ (рис. 3.4). Ядро составляет почти половину радиуса Земли, но составляет всего 16,1% от объема Земли. Большую часть объема Земли (82,5%) составляет ее мантия, и лишь небольшая часть (1,4%) — ее кора.

Рис. 3.4. Недра Земли. Правая кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро ​​в масштабе. Слева — разрез с изображением континентальной и океанской коры, а также слоев верхней мантии. Литосфера — это кора плюс самый верхний слой мантии. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY 4.0. Фотография Земли, сделанная НАСА (без даты) Public Domain view source

Самый внешний слой Земли, ее кора , каменистая и жесткая. Есть два вида коры: континентальная кора и океаническая кора .Континентальная кора более толстая и имеет преимущественно кислый состав , что означает, что она содержит минералы, более богатые кремнеземом. Состав важен, потому что он делает континентальную кору менее плотной, чем кора океана.

Океанская кора более тонкая, по составу преимущественно мафическая . Основные породы содержат минералы с меньшим содержанием кремнезема, но с большим количеством железа и магния. Основные породы (и, следовательно, океаническая кора) более плотные, чем кислые породы континентальной коры.

Кора плавает на мантии. Континентальная кора плавает в мантии выше, чем кора океана, из-за более низкой плотности континентальной коры. Важным следствием разницы в плотности является то, что если тектонические плиты столкнутся с океанской корой и континентальной корой, плита с океанской корой будет вытеснена в мантию под плитой с континентальной корой.

Мантия почти полностью состоит из твердой породы, но она находится в постоянном движении и очень медленно течет.По составу он имеет ультраосновных , что означает, что в нем даже больше железа и магния, чем в основных породах, и даже меньше кремнезема. Хотя мантия имеет схожий химический состав, в ней есть слои с разным минеральным составом и разными физическими свойствами. Он может иметь различный минеральный состав и при этом оставаться неизменным по химическому составу, потому что возрастающее давление глубже в мантии вызывает реконфигурацию минеральных структур.

Породы, расположенные выше в мантии, обычно состоят из перидотита , породы, в которой преобладают минералы оливин и пироксен.Скала Плато на Рисунке 3.2 — это разновидность перидотита. Ниже в мантии экстремальные давления преобразуют минералы и создают горные породы, такие как эклогит (рис. 3.5), которые содержат гранаты.

Рис. 3.5 Эклогит из Швейцарско-итальянских Альп. Красновато-коричневые пятна — это гранаты. Источник: Джеймс Сент-Джон (2014) CC BY 2.0 исходный код

Литосфера

Литосфера не может быть четко классифицирована как кора или мантия, потому что она состоит из того и другого.Он формируется из коры, а также из самого верхнего слоя мантии, который прилипает к нижней стороне коры. Тектонические плиты — это фрагменты литосферы.

Астеносфера

Под литосферой находится астеносфера . Крошечные количества расплавленной породы, рассеянные через твердую астеносферу, делают астеносферу слабой по сравнению с литосферой. Слабость астеносферы важна для тектоники плит, потому что она деформируется, когда фрагменты литосферы движутся вокруг нее и сквозь нее.Без слабой астеносферы плиты были бы заблокированы на месте и не могли бы двигаться, как сейчас.

D »

Слой D ” (двойной штрих) — загадочный слой, начинающийся примерно на 200 км выше границы между ядром и мантией. (Эта граница называется границей ядро-мантия ). Мы знаем, что она существует, потому что сейсмические волны меняют скорость, проходя через нее, но неясно, почему она отличается от остальной части мантии. Одна идея состоит в том, что минералы претерпевают еще один переход в этой области из-за условий давления и температуры, аналогичный переходу между верхней и нижней мантией.Другие идеи заключаются в том, что присутствуют небольшие бассейны расплава или что различия в сейсмических свойствах обусловлены субдуцированными плитами литосферы, лежащими на границе ядро-мантия.

Ядро в основном состоит из железа с меньшим содержанием никеля. Также могут присутствовать более легкие элементы, такие как сера, кислород или кремний. Сердечник очень горячий (от ~ 3500 ° до более 6000 ° C). Но несмотря на то, что граница между внутренним и внешним ядром примерно такая же горячая, как поверхность Солнца, только внешнее ядро ​​является жидким.Внутреннее ядро ​​твердое, потому что давление на этой глубине настолько велико, что оно не дает ядру расплавиться.

элементов в земной коре

Это таблица, которая показывает элементный химический состав земной коры. Имейте в виду, что это приблизительные цифры. Они будут варьироваться в зависимости от способа их расчета и источника. Земная кора на 98,4% состоит из кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, натрия, калия и магния. На все остальные элементы приходится примерно 1.6% объема земной коры.

Основные элементы земной коры

Элемент Объемные проценты
кислород 46,60%
кремний 27,72%
алюминий 8,13%
утюг 5,00%
кальций 3,63%
натрий 2.83%
калий 2,59%
магний 2,09%
титан 0,44%
водород 0,14%
фосфор 0,12%
марганец 0,10%
фтор 0,08%
барий 340 частей на миллион
углерод 0.03%
стронций 370 частей на миллион
сера 0,05%
цирконий 190 частей на миллион
вольфрам 160 частей на миллион
ванадий 0,01%
хлор 0,05%
рубидий 0,03%
хром 0,01%
медь 0.01%
азот 0,005%
никель след
цинк след

Минеральный состав

Кора химически похожа на андезит. Самыми распространенными минералами в континентальной коре являются полевой шпат (41%), кварц (12%) и пироксен (11%).

Имейте в виду, что элементный состав земной коры не совпадает с составом Земли.Мантия и ядро ​​составляют значительно большую массу, чем кора. В мантии около 44,8% кислорода, 21,5% кремния и 22,8% магния, а также железа, алюминия, кальция, натрия и калия.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *