КОСМИЧЕСКАЯ РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ

КОСМИЧЕСКАЯ РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕТЕОРИТАХ

Понятие “космической” распространенности Расчетная относительная распространенность элементов во Вселенной названа “космической” распространенностью (КР). Распространенность элементов в космосе может рассматриваться как эталонный состав, при сравнении с которым можно оценить интенсивность процессов фракционирования элементов. К сожалению его нельзя точно определить, так космос претерпел разделение на различные компоненты, такие как звезды, межзвездное пространство, планетарные тела. Состав звезд также изменяется в процессе эволюции звезд; изменение состава происходит и в процессе радиоактивного распада. Поэтому пользуются теми значениями распространенности, которые только приближаются к общему составу космоса. Имеется пять возможных источников сведений: • Земля и Луна, • метеориты • Солнце и звезды • газовые туманности и межзвездная среда • космические лучи. Химический состав Солнца, звезд и туманностей определяют путем спектрального анализа; эти данные относятся преимущественно к летучим элементам. В спектре солнечной атмосферы обнаружено 70 элементов. И эти данные отражают только поверхностные зоны звезд и зависят от их температуры. Сведения о нелетучих элементах базируются главным образом на исследованиях по метеоритам - углистым хондритам, поскольку Холвегер (1977) показал, что имеет место сходство между концентрациями тугоплавких элементов в углистых хондритах типа С 1 и в солнечной атмосфере. За исключением Li , Be и B распространенность нелетучих компонентов Солнечной атмосферы соответствует таковой углистых хондритов. Предполагается, что хондриты представляют собой первичный материал, из которого сформировались планеты Солнечной системы (СС). Кроме того, для тяжелых элементов используются расчетные данные, основанные на гипотезах об образовании элементов.

Понятие “космической” распространенности Оценки КР постоянно меняются, но в целом они довольно близки и вероятно верны. Последние сводки космической распространённости сделаны Камеруном (1982) и Андерсом и Эбихарой (1982). Содержания приводятся в нормированном виде на 106 атомов Si. Основные закономерности распространенности элементов в зависимости от атомного номера. Из подобных таблиц и построенного на их основании графика распространенности элементов в зависимости от атомного номера (Z) следует: 1. чрезвычайно высокая распространенность H и H остальные в том числе планетообразующие элементы - только 2%. 2. общее снижение распространенности до экспоненциальному закону), затем кривая выполаживается, 3. очень низкая распространенность Li, Be и B и наоборот высокая Fe, Ni, Pb, 4. более высокая распространенность элементов с четным Гаркинса), а для отдельных изотопов с массовыми числами кратными 4. Вышерассмотренные закономерности должны быть объяснены в любой теории происхождения элементов или нуклеосинтеза.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕТЕОРИТАХ Состав и классификации метеоритов n Метеорит - это твердое внеземное вещество, сохранившееся при прохождении через атмосферу и достигшее поверхности Земли. n Считается, что метеориты представляют собой наиболее примитивное вещество СС, не испытавшее дальнейшего фракционирования с момента их образования. Это убеждение основано на том, что относительная распространенность тугоплавких элементов в метеоритах соответствует солнечной распространенности. Возраст метеоритов n По соотношениям материнских и родительских изотопов, если последние негазообразны , что исключает их потерю при нагревании, может быть определен возраст образования метеоритов. Используются изотопные пары: Rb-Sr, U-Pb и др. n Большинство данных дает для всех метеоритов близкий возраст - около 4, 55 млрд. лет, который вероятно отвечает времени начального затвердевания метеоритов. Это значение принимают и за вероятный возраст Земли. У ряда метеоритов есть и более молодые значения возраста: n 3, 7 млрд. лет - Fe-метеорит и один ахондрит, n 1, 24 млрд. лет - ахондрит - наклит , что свидетельствует о более позднем времени перераспределения элементов. Метеориты подразделяются на (по содержанию металлической фазы): находки n Каменные (аэролиты): - ахондриты 558 - хондриты 18 n Железокаменные (сидеролиты) 64 n Железные (сидериты) 439

Железные метеориты – состоят в основном из камасита - самородного железа космического происхождения с примесью никеля от 6 до 9%. Железокаменные метеориты Малораспространенная группа. Имеют грубозернистые структуры с равными по весу долями силикатной и металлической фаз. (Силикатные минералы - Oливин, пироксены; железная фаза - камасит с видманштеттеновыми прорастаниями). Каменные метеориты – состоят из силикатов Mg и Fe c примесью металлов. Подразделяются на Хондритовые, ахондритовые и углистые. 1. Хондриты: Хондры - сфероидальные обособления размером первые мм и менее, сложенные силикатами, реже силикатным стеклом. Погружены в богатую металлическим железом матрицу. Основная масса хондритов представляет собой тонкозернистую смесь ( оливин-бронзитовые , оливин-гиперстеновые и оливин- пижонитовые ) с никелистым Fe (Ni-4 -7%), троилитом ( Fe. S ) и плагиоклазом. Преобладающая точка зрения гласит, что хондриты - закристаллизованные или стекловатые капли, которые образовались при плавлении ранее существовавшего силикатного материала, подвергавшегося, следовательно, нагреванию. 2. Ахондриты : Не содержат хондр , имеют более низкое содержание никелистого Fe и более грубые структуры. Их главные минералы – пироксены и плагиоклазы. По составу и структурным особенностям многие ахондриты похожи на земные породы ( Габброиды ). Сходство состава и структур позволяет предполагать их магматическое происхождение. Иногда наблюдаются пузырчатые структуры как у лав. 3. Углистые хондриты: (большое количество углеродистого вещества) - крайне важный тип хондритов. Главная характерная черта углистых хондритов - это наличие летучей составляющей, это указывает на то, что они наиболее примитивны (не произошло удаление летучих элементов) и не претерпели фракционирования. Тип С 1 содержит большое количество хлорита (водные Mg , Fe алюмосиликаты), а также магнетит , водно- растворимые соли, самородную серу, доломит, оливин и графит, а также органические соединения. Отсюда имеются основания считать, что с момента их образования, они существовали при Т, не превышающей 3000 С. В составе хондритовых метеоритов наблюдается недостаток 1/3 химических элементов, по сравнению с составом углистых хондритов, которые наиболее близки к составу протопланетного вещества. Наиболее вероятная причина дефицита летучих элементов состоит в последовательной конденсации элементов и их соединений в порядке, обратном их летучести.

Основные закономерности распределения элементов по фазам метеоритов, их причины: Основные элементы, слагающие все метеориты - O, Fe, Mg, Si, S. Метеориты состоят из трех главных фаз: - металлической, - сульфидной, - силикатной. Все элементы распределяются между этими фазами в соответствии с их относительным сродством к Ме, сульфиду или силикатам. Состав фаз определяется по существу равновесием в системе Fe-Mg-Si-O-S, в которой обычно О больше, чем S. Происхождение метеоритов и протопланетного вещества Согласно гипотезе Большого взрыва (12 -14, 5 млр. лет назад) первичное вещество Солнечной системы представляло раскаленный вращающийся газовый диск, состоящий из плазменной смеси атомных ядер и электронов, процесс охлаждения которого завершился образованием в его центральной части звезды среднего размера – Солнца и периферических, удерживаемых силами гравитации, вращающихся вокруг Солнца планет. Солнце – раскаленный газовый шар с массой равной 330 400 земным массам. В составе обнаружено 74 химических элемента, H – 81, 7%, He – 18%, кислород – 0, 03%. Сходство изотопного состава ряда химических элементов (13 С/12 C) свидетельствует, что вещества Солнца, планет и мет e оритов имеют общую историю до определенного момента, когда произошло разделение системы на Протосолнце и околосолнечное газовое в e щество. В результате охлаждения газовое в e щество (первоначальны газовый диск) постепенно конденсировалось,

Фракционирование элементов в протопланетном облаке. Предполагается, что твердое вещество метеоритов, вероятно, конденсировалось из газовой туманности по мере ее остывания, то есть из раскаленных газов возникали капельки жидкости, а затем частицы твердого вещества. При этом согласно расчетам равновесия: газ - твердое вещество, выполненных впервые Льюисом в 70 х годах, сепарация элементов должна происходить в определенном порядке от наиболее тугоплавких к летучим. В упрощенном виде говорят о том, что металлическая Fe-Ni часть конденсируется раньше, а силикаты Fe-Mg выделяются при более низкой Т. Таким образом, могло происходить фракционирование элементов в протопланетном облаке, если конденсация происходит медленнее, чем аккреция твердого вещества. В более детальном виде конденсационная последовательность выглядит так: 1. Т 1700 -18000 К - благородные Ме, Zr идр. . 2. 1700 -15000 К - минералы тугоплавких Са и Al (перовскит, корунд, шпинель), а также таких элементов как U, Th. 3. 1500 до 1300 0 К - металлическое Fe, сплавы Fe-Ni-Co, в зависимости от окислительно-восстановительных условий. Theme. Gallery is a Design Digital 4. 1300 -11500 К – силикаты: диопсид, энстатит, форстерит. mall Content & Contents 5. <<10000 К - щел. полевые шпаты developed by Guild Design Inc. 6. 7500 К – троилит (Fe. S), магнетит. 7. При низких температурах (350 -280 0 K ) конденсаты подвергались реакциям гидратации, продуктами которой явились – тальк, серпентин, тремолит (есть в углистых хондритах). Они, обладая высокими сорбционными свойствами, сорбировали газы, воду и органические вещества. В метеорите Allende присутствуют крупные включения, которые содержат шпинель, перовскит и обогащены РЗЭ, все это свидетельствует о том, что этот метеорит один из самых ранних конденсатов солнечной небулы. Считается, метеориты образовались на различных стадиях конденсации и агрегации планетизималей. Углистые хондриты представляют собой наиболее примитивные продукты конденсации (гетерогенная аккреция ). Fe-каменные и Fe-метеориты рассматриваются как продукты ранней конденсации. Но в целом единого мнения на происхождение метеоритов не существует, остается много неясного.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ В ВЕЩЕСТВЕ ПЛАНЕТ

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ В ВЕЩЕСТВЕ ПЛАНЕТ • Что же является отправной точкой в космохимических моделах состава планет? • Представляется разумным допущение, что между составом Солнца, планет и метеоритов Солнечной системы существует закономерная связь, так как они, по всей вероятности, являются производными одних и тех же событий нуклеосинтеза. Поэтому есть законные основания полагать, что распространенности элементов в планетах характеризуются теми же пропорциями, что и в Солнце, и в метеоритах. • Этот принцип об аналогии твердого вещества планет и метеоритов является основополагающим, он был заложен уже в первых работах Мейсона и Рингвуда для оценки состава планет, в частности Земли. • Так, Мейсон предположил, что мантия+кора имеют такой же состав, как “средний” хондрит, а железное ядро имеет состав Fe-Ni-составляющей хондритов+среднее содержание в них троилитовой фазы. Рингвудом предполагалось, что Земля образовалась из вещества с составом углистых хондритов типа С 1. • В настоящее время разработаны различные космохимические модели для оценки состава планет, прежде всего Земли и Луны. Все они в том или ином виде используют в качестве источника вещества планет -вещество солнечной небулы, и следовательно, базируются на имеющихся данных по составу метеоритов.

Так, одной из успешных попыток для оценки состава Земли и Луны является подход, разработанный Ганапати и Андерсом, которые предположили, что Земля и Луна состоят по меньшей мере из 7 различных компонентов того же типа, которыми сложены обыкновенные хондриты. Такие компоненты включают: 1 - ранний конденсат, 2 - металличское Fe-Ni, 3 - магнезиальные силикаты, 4 - сульфиды, 5 -6 - претерпевшие в ходе аккреции переплавление силикатная и металлическая фазы, 7 - поздний конденсат, обогащенный летучими. Оценка содержания каждого из компонентов производится по величинам отношений пар элементов, имеющих резко различные концентрации в указанных компонентах. Сопоставление оценок среднего состава Земли, сделанных Ганапати-Андерсом и Смитом, базирующихся на различных подходах, обнаруживает согласованность (за исключением Na, K), что увеличивает доверие к этим моделям. Эти оценки считаются наиболее подходящими для Земли в настоящее время. Главным образом, космохимические модели развиваются применительно к Земле и Луне, но в последнее время сделаны попытки оценок для других планет земной группы: Марса, Венеры. С наиболее известными из них мы познакомимся позднее, рассматривая исторические и современные модели аккреции планетного вещества, после того как будут изложены основные данные по строению планет и составу их пород.

Особенности состава и строения планет Солнечной системы Формирование планет Солнечной системы проходило в два этапа: конденсация вещества окружавшей прото-Солнце протопланетной газовой туманности, которая благодаря различиям P - T условий в разных ее частях и давлению солнечной радиации приобрела первичную неднородность; аккумуляция конденсированного вещества протопланетной туманности в его сгущения – прото-планеты и последующее аккреционное сжатие под воздействием сил гравитации. Процессы конденсации и аккумуляции вещества околосолнечной туманности связываются с развитием Солнечной системы в период 6 -4, 5 млрд. лет. Две группы планет Солнечной системы, различия в их строении и составе. Планеты Солнечной системы, а их известно 9, можно разделить на две группы: планеты земного типа, близкие к земле по размерам и плотности слагающего их вещества и ближе расположенные к Солнцу, и планеты-гиганты, удаленные от Солнца и отличающиеся малой плотностью. Первая группа: Меркурий, Венера, Земля+Луна, Марс, Вторая группа: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, и особняком стоит Плутон. Планеты земного типа, судя по плотности, вероятно, и по химическому составу должны быть близки к Земле. Определение плотности планет основано на их размерах и массе, вычисленной по законом небесной механики. Первая группа имеет плотность=3, 9 -5, 43 (max у Меркурия), а вторая 0, 7 -1, 7 г/т. Минимальную плотность имеет Сатурн - 0, 69 г/см 3 , остальные планеты по плотности более близки, она составляет от 1, 14 до 1, 67 г/см 3. Низкая плотность указывает на значительную долю газовых компонентов в составе последних. Предполагается, что основным их веществом является Н и Не. На основании астрофизических данных построены модели больших планет, включающие газовую атмосферу - Н, He, аммиак – NH 3 и метан- CH 4 и оболочки: жидкий молекулярный Н 2, жидкий металлический водород, лед воды, метана и силикатное ядро. Различия в составе двух групп планет связывают с условиями конденсации вещества в солнечной системе. Мы уже говорили об основных закономерностях и порядке конденсации отдельных компонентов: Fe-Ni часть, силикаты, летучие. Более нагретые внутренние планеты будут иметь в своем составе преимущественно силикаты и Fe , а более холодные - больше летучих компонентов. Основное химическое различие между группами планет заключается в обогащенности или обедненности их Н и Не. Внутренние планеты не велики и не обладают достаточными гравитационными полями для того, чтобы удерживать легкие газы. Кроме того, на ранних стадиях формирования внутренние планеты были сильнее нагреты (близость Солнца) и соответственно легкие газы были ими потеряны. Сильные солнечные ветры на ранних этапах также обеспечили вынос газов (H, Не) и летучих из внутренних частей Солнечной системы. Этими факторами объясняют преобладание в составе планет земной группы более тугоплавких элементов в металлической и силикатной фазах, а внешней группы - H, He, CH 4, NH 3 в замерзшем состоянии.

Данные о планетах земной группы: средняя плотность, роль металлических ядер, коры планет. Для всех планет ЗГ, как уже отмечалось, характерна высокая плотность, снижающаяся от Меркурия к Марсу. Эти вариации плотности позволяют предполагать фракционирование одной из фаз при образовании планет. Различие в плотности объясняют различным содержанием Ме-Fe. Как и в случае Земли предполагается, что Ме-фаза слагает ядра планет ЗГ, и соответственно относительный размер ядра снижается от Меркурия к Марсу. Представление о дифференциации плотности планетного вещества с увеличением ее к центру основываются и на различии расчетной средней плотности планет и плотности их поверхностных слоев, а в случае наличия информации о составе поверхностного слоя, также на его отличии от предполагаемого валового состава планетного тела. Все это послужило основанием для предположения о том, что все планеты ЗГ имеют аналогичное строение и состоят из трех главных сфер: ядро, мантия, кора. Размер ядра оценивается на основании средней плотности и составляет от 2/3 до 1/4 размера планет.

Данные о планетах земной группы: средняя плотность, относительный размер ядер, состав коры планет и атмосферы. Планета Плотность, состав Отн . Состав коры Атмосфера –Fe-Ni + S±O Fe- размер ядра Меркурий 5, 435 г/см 3 2/3 Нет данных Нет Венера 5, 245 1/2 Толеитовые и щелочные базальты Плотная CO 2 , N 2, в верхних слоях – Н 2 SO 4 Земля 5, 514; <1/2 Континентальная и океаническая; N 2, O 2, Ar состав –Fe-Ni + –Fe- распространенность: O, Si, Al, Fe, Mg, S±O Mn, Ca, Na, K, Ti, Y, P и прочие 0, 2 %. Mn, Ca, Na, Ti, Марс 3, 934 1/4 Высокожелезистые базальты Разреженная CO 2, мало N 2, Ar Луна 3, 344 Нет? Анортозиты, базальты; Нет распространенность: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Ti, Na.

Коры планет имеют отчетливо меньшую, чем средняя, плотность, и в тех случаях, когда он известен, иной состав, относительно обогащенный менее тугоплавкими веществами и некогерентными элементами. Максимальную информацию мы имеем по земной коре, для всех остальных планет ЗГ мы основываемся главным образом на данных полученных при изучении Луны, отчасти на исследованиях поверхности Венеры и Марса, а часто на анологии морфологии и отражательной способности поверхности планет. Имеются планетарные коры трех типов: 1 - первичная кора - образуется во время или непосредственно сразу после аккреции при остывании поверхности планеты (считается, что она имеет анортозитовый состав - Луна); 2 - вторичная кора - образуется позднее при частичном плавлении рециклированной первичной коры или при частичном плавлении глубин планеты, обычно имеет базальтовый состав; (примеры включают лунные моря, океаническую кору Земли и возможно большую часть коры Марса и Венеры) 3 - третичная кора - образуется при частичном плавлении и дальнейшей дифференциации вторичной коры. Пример - земные континенты, точнее их континентальная кора, вероятно, единственный пример третичной коры в СС.

Основные данные о планетах земной группы Меркурий - наименьшая планета. Имеет высокую плотность, что свидетельствует о высоком содержании Fe и наличии большого ядра, окруженного силикатной корой. Результаты исследования показывают, что поверхность Меркурия очень похожа на лунную в смысле распределения на ней кратеров и вероятного ее возраста. Кратерированные нагорья Меркурия, по- видимому, имеют тоже происхождение, что и лунные материки. О химическом составе коры нет данных. По Адамсу Меркурий имеет подобно Луне анортозитовую (анортозитовые габбро) кору, они имеют сходство в спектрах отражения. Что касается гладких равнин, то они отличаются по спектрам от лунных базальтов, могут иметь не базальтовый состав и, возможно, образовались в результате выбросов из больших ударных кратеров. Имеет весьма разреженную атмосферы состоящую их инертных газов. Венера. По размерам и средней плотности близка к Земле. Высказывались различные гипотезы о природе планеты на основании этого сходства, но они не подтвердились при исследованиях Венеры. Поверхностные породы представлены преимущественно базальтами и щелочным базальтам Земли. Первоначально установленное гамма-спектрометрией высокое содержание РЗЭ послужило основанием для предположения о наличие на Венере гранитов и следовательно континентальной коры. Эти данные не подтвердились, оказалось, что высокие содержания РЗЭ принадлежат обширным извержениям щелочных базальтов, содержащих 4% K. Венера имеет плотную атмосферу, состоящую из СО 2 (97%) и N 2 (3%). Для нее характерны высокие поверхностные и атмосферные температуры. Земля. Имеет трехслойное строение. Земная кора - это верхний слой отделенный от нижележащего поверхностью Мохоровичича , при переходе которой происходит скачкообразное увеличение скоростей сейсмических волн. На материках мощность ЗК составляет 30 -70 км, под океанами - 5 -15 км. Природа этой границы до конца не ясна: вероятным является изменение химического состава, плотности и фазового состояния минералов или совместно несколько факторов. Порядок распространености элементов в ЗК : O, Si, Al, Fe, Mg, Mn, Ca, Na, K, Ti, Y, P и прочие 0, 2 %. Мантия Земли простирается до глубины 2900 км и имеет существенно ультраосновной состав, в ней выделяется три слоя с границами раздела на глубинах 400 и 1000 км, а также ряд сейсмических разделов, соответствующих изменением главным образом не состава, а появлением более плотных модификаций минералов или минералов с более плотной упаковкой. По сравнению с ЗК в мантии происходит увеличение содержания Fe, Mg Ni, S и снижение Si, Al, Ca , порядок распространенности: O, Fe, Si, Mg, S, Al, Ca, Ni, Na, Cr, Mn. По сейсмическим данным большая часть ядра, его внешняя часть, жидкая и только с глубины 5100 км начинается твердое внутреннее ядро. В основе гипотезы о Fe-Ni ядре лежит предположение о близости его состава к составу Fe метеоритов. Эксперименты показывают, что при р=2, 5*1011 Па, сплав из 90% Fe и 10% Ni имеет свойства, близкие к свойствам земного ядра, но обладает несколько большей плотностью. В связи с этим считают, что ядро содержит некоторую долю более легких элементов, таких как S, O, Si. Для всех предпочтительнее выглядит S.

Луна. 85% поверхности составляют возвышенности-“ материки ” (плоскогорья или нагорья) и около 15% - “ моря ” (низменные области). “ Материковые” породы представляют собой брекчии из обломков анортозитов, анортозитовых габбро, редких шпинелевых троктолитов и норитов , редких базальтов. Указанный состав пород свидетельствует о высоких концентрациях в материковых породах Al 2 O 3. Породы явно образовались из расплава, а затем были раздроблены ударами метеоритов, возможно вплоть до частичного плавления с образованием базальтов. Формировались они в сильно восстановительных условиях, так как содержат самородное Fe. Характерен дефицит летучих, нет минералов, содержащих H 2 O и CO 2. Возраст материковых пород очень древний - 4, 4 -4, 6 млрд. лет, хотя есть и более молодые - до 3, 9 -4, 1 млрд. лет. Лунные моря сложены разнообразными базальтами. Объем их невелик, они представляют слой порядка 1 км. Образование базальтов произошло в интервале от 4, 2 до менее 3 млрд. лет. Отличаются от земных базальтов резко повышенным содержанием Fe 2+, Ti и других тугоплавких Ме: Sc, Y, Cr, Ni, Co, Mn, Zr, Nb, Mo, РЗЭ. Напротив содержание Fe 3+, Na, K понижено. У Луны нет осадочного и гранитного слоев, атмосферы и гидросферы. Большая часть поверхности Луны покрыта рыхлым слоем мелкозема - реголита, состоящего из частиц пород и минералов, фрагментов стекла и небольших количеств осколков метеоритов, образование его связано с контрастом дневных и ночных Т, но главным образом с метеоритными ударами, слой брекчированных пород может достигать 10 км. Практическое отсутствие на Луне атмосферы и воды означает, что процессы выветривания не участвовали в образовании реголита. В лунной коре наиболее распространены 8 химических элементов: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Ti, Na. Отличие от Земли в высоком содержании Ti в ряде базальтов и относительно низком содержании Na и K. В целом Луна менее дифференцирована, чем Земля, средняя плотность 3, 34, а на поверхности составляет 3, 1 -3, 2. Следовательно, Луна практически нацело сложена силикатным материалом, и вероятно не имеет металлического ядра. Кора мощностью 60 -100 км подстилается мантией, в которой выделяется два слоя. Верхний слой или литосфера до глубин 400 -500 км, как предполагается, сложен кумулятивными ультраосновными породами. Второй слой простирается до 1100 км, где происходит резкое изменение скоростей сейсмических волн. Наличие ядра является дискуссионным. Геохронологические исследования показывают, что лунная материковая кора является первичной и формировалась между 4, 35 и 4, 45 млрд. лет. Импактные процессы, т. е. удары метеоритов, на поверхности Луны до примерно 3, 9 млрд. лет, когда и сформировались большие морские бассейны. Выплавление базальтов, заполнивших морские бассейны, не связано с импактным процессом, а происходило позднее и обусловлено плавлением, вызванным аккумуляцией радиогенного тепла. Наиболее популярная модель формирования лунной первичной материковой коры включает наличие ультраосновного магматического океана, который покрывал всю поверхность Луны до глубин 200 -500 км, он кристаллизовался за время < 100 млн. лет начиная с 4, 45 млрд. лет. В этом расплавленном слое в безводных условиях происходила флотация плагиоклаза, образующего анортозитовую кору, пироксен и оливин преимущественно осаждались вниз, образуя верхнюю мантию деплетированную несовместимыми элементами. Позднее парциальное плавление этой мантии продуцировало морские базальты.

Марс. По данным исследования Маринеров и Викингов на поверхности располагаются грандиозные щитовые вулканы, рифты, каньоны. На Марсе доминируют два типа поверхности и соответствующих им типов коры. На севере располагаются равнины и вулканические хребты, на юге древняя кратерированная область. Последняя похожа на кратерированные поверхности Луны и вероятно представляет собой древнюю кору Марса. Большие почти округлые бассейны похожи на лунные моря. Наличие больших щитовых вулканов свидетельствует об очень мощной литосфере Марса, морфология лавовых потоков указывает на больший чем на Земле объем лав и низкую вязкость излияний. Химические анализы Викингов показали преобладание на поверхности вулканических пород - высокожелезистых базальтов, выветривание которых происходило в водных окислительных условиях. Атмосфера сильно разрежена, состоит из CО 2 (95%), Ar (1 -2%), N (2 -3%) и долей H 2 O. Предполагается, что ранее она было более плотной и обогащенной СО 2 и Н 2 О, при охлаждении происходило интенсивное выпадение дождей и эрозия поверхностных пород.

Исторические и современные модели аккреции и дифференциации протопланетного вещества

Исторические и современные модели аккреции и дифференциации протопланетного вещества Коренное изменение основных идей планетной космогонии связано с именем О. Ю. Шмидта, которым в 40 -х годах была высказана идея о том, что Земля и планеты ЗГ образовались не из раскаленных сгустков солнечных газов, а путем аккумуляции твердых тел и частиц - планетезималей, испытавших плавление лишь позднее во время аккреции (разогрев обусловлен столкновением крупных планетезималей , диаметром до первых сотен км). Это предполагает раннюю дифференциацию ядра и мантии и дегазацию. Существуют две крайние точки зрения относительно механизма аккумуляции и соответственно представлений о формировании слоистой структуры планет. Различают модели гомогенной и гетерогенной аккреции: ГЕТЕРОГЕННАЯ АККРЕЦИЯ 1. Принимается кратковременная аккреция. Ранние модели гетерогенной аккреции (Турекиан, а в России - Виноградов) предполагали, что земля аккумулировалась из материала по мере его конденсации из протопланетного облака. Ранние модели включают раннюю >Т аккумуляцию Fe- Ni сплава, образующего протоядро Земли, сменяющуюся с понижением Т аккрецией внешних ее частей из силикатов. Сейчас считают, что в процессе аккреции происходит непрерывное изменение в аккумулирующемся материале отношения Fe-силикат от центра к периферии формирующейся планеты. При аккумуляции Земля разогревается, что вызывает плавление Fe , которое отделяется от силикатов и опускается в ядро. После охлаждения планеты добавляется около 20 % ее массы материалом, обогащенным летучими по периферии. В протоземле не существовало резких границ между ядром и мантией, они установились уже в результате гравитационной и химической дифференциации на следующем этапе эволюции планеты. (Больше всего вызывает возражение необходимость объяснить перемещение в кору по сути вещества ранних конденсатов - U, Th , РЗЭ). Предполагается, во всяком случае, в ранних вариантах, что дифференциации происходила преимущественно в процессе формирования ЗК, и не захватывала Землю целиком.

ГОМОГЕННАЯ АККРЕЦИЯ 2. Принимается большее время аккреции - порядка 108 лет. При аккреции Земли и планет ЗГ конденсирующиеся тела имели широкие вариации состава от углистых хондритов, обогащенных летучими, через обыкновенные хондриты и Fe-метеориты вплоть до вещества, обогащенного тугоплавкими компонентами типа Allende. Планеты формировались из этого широкого по составу набора метеоритного вещества и их различие и сходство определялось в основным относительными пропорциями вещества различного состава. Но происходило поступление вещества относительно постоянного общего состава, т. е. имела место макроскопическая однородность протопланет. Существование (современного) массивного ядра может свидетельствовать о том, что изначально привнесенный Fe-Ni метеоритами сплав, равномерно распределенный по всей Земле, выделился в ходе ее дальнейшей эволюции в центральную часть. Довольно однородная по составу планета расслоилась на оболочки в процессе гравитационной дифференциации и химических процессов. Предполагается, что дифференциация имеет глобальный характер, захватывает весь объем Земли. • Обе модели имеют достоинства и недостатки, и до последнего времени модель гомогенной аккреции считалась предпочтительной.

Современная модель гетерогенной аккреции , позволяющая объяснить химический состав мантии разрабатывается группой немецких ученых (Венке, Дрейбус , Ягоутц ). исходя из данных изучения наиболее примитивных мантийных включений, они установили, что содержания в мантии умереннолетучих ( Na , K, Rb ) и умеренносидерофильных ( Ni , Co ) элементов, имеющих различные коэффициенты распределения Ме /силикат, имеют одинаковую относительную распространенность (нормированную по С 1) в мантии, а наиболее сильно сидерофильные элементы имеют избыточные концентрации, по сравнению с теми которые можно ожидать исходя их их коэффициентов распределения. Таким образом, предполагается, что ядро не находилось в равновесии со всем мантийным резервуаром. Для объяснения этого ими предлагается модель гетерогенной аккреции: 1. Аккреция начинается с накопления сильно восстановленного компонента А, лишенного летучих элементов и содержащего все остальные элементы в количествах отвечающих С 1, и Fe и все сидерофилы в восстановленном состоянии. С повышением Т одновременно с аккрецией начинается сегрегация Ме, т. е. образование ядра. 2. После аккреции 2/3 массы Земли и образования ядра начинает накапливаться все более окисленный материал (в нем все сидерофилы и оксифилы находятся в виде окислов), умереннолетучие и более летучие в пропорциях С 1, это так называемый компонент В. Часть Ме компонента А еще сохраняется и способствует извлечению наиболее сидерофильных элементов и их переносу в ядро. Источником умеренно летучих, летучих и умеренносидерофильных элементов в мантии является компонент В, что и объясняет их близкую относительную распространенность. Таким образом, Земля на 85% состоит из компонента А и на 15 % из В. В целом состав мантии формируется уже после отделения ядра путем гомогенизации и перемешивания силикатной части компонента А и вещества компонента В. Эта модель включает также раннее расплавление в процессе аккреции , дегазацию и формирования магматического океана, в котором концентрируются летучие и некогерентные элементы, кристаллизация которого с низу приводит к формированию коры. К моменту формирования конечной массы Земля уже оказывается неоднородной в отношении концентраций ряда элементов.

Фракционирование планетного вещества. n 1) Начальное фракционирование вещества произошло уже до аккреции : обособление металлической и силикатной фаз, обеднение летучими компонентами - удалены из области внутренних планет до аккреции. n 2) Считается, что образование ядра Земли произошло достаточно быстро в первые сотни лет жизни Земли. Плавление и разделение Ме и силикатной фаз происходило в следствии ликвации и гравитационной дифференциации. Высокие Т были связаны в том числе и с тем, что как сейчас считается на ранних стадиях аккумуляции планет происходили столкновения с телами большой и сопоставимой с зародышами планет массой. Т. е. температуры плавления могли быть достигнуты уже на ранних стадиях. Раннее плавление мантии вероятно происходило в больших масштабах. Имеют место и альтернативные взгляды Сорохтина и Ушакова о завершении формирования ядра только к рубежу AR - PR (этому противоречит наличие остаточной намагниченности у более древних пород). n 3) Одну из ранних моделей дифференциации вещества планеты предложил А. П. Виноградов , она была названа им моделью зонной плавки. Зонная плавка может происходить при сохранении основной части пород в твердом состоянии при наличии локальной зоны расплавления. Локальные очаги плавления он связывал с первоначальной неоднородностью распределения вещества прежде всего РАЭ. При разнице Т на границах зон расплав становится механически неустойчивым и в нем начинается конвекция. Перегретые нижние части расплава будут подниматься вверх, переносить тепло и способствовать расплавлению кровли, а внизу будет происходить кристаллизация вещества. Таким образом, легкоплавкие компоненты будут двигаться вверх, а тугоплавкие оставаться на месте. Этот процесс был смоделирован в лабораторных условиях Виноградовым и Ярошевским. Исходный материал был хондритовым. Было получено стекло в верхнем конце базальтового, а в нижнем - ультраосновного состава. Таким образом, этот процесс может объяснить формирование ранней базальтовой коры за счет вещества примитивной мантии. Дальше базальтов дифференциация не идет, и следовательно он не объясняет формирования коры континентального типа.

Модели формирование коры и состав первичной коры n Многим несомненным представляется раннее формирование континентальной протокоры на Земле, на это указывает наличие древнейших пород формировавшихся судя по их 143 Nd/144 Nd из деплетированного мантийного вещества, сформированного задолго до их появления. Полагают, что такая кора была практически полностью уничтожена вследствие быстрых процессов деструкции и рециклирования в мантию. но многие считают полное уничтожение н возможным. - негомогенная аккреция (модель Рама Мерти) n Существуют и представления о том, что самая первая кора базальтового состава сформировалась до завершения процесса аккреции (Рама Мерти ) синхронно с образованием ядра, была уничтожена в ходе продолжающейся аккреции , причем аккумулировался на этих поздних стадиях материал, обогащенный тугоплавкими компонентами и некоторыми сидерофильными элементами, что и обусловило в дальнейшем при его перемешивании с первичной корой и последующем плавлении повышенные их содержания в новой все еще базальтовой коре Земли на с другим редкоэлементным составом. - импактная модель (но нет свидетельств брекчирования в AR ЗКП, на Луне процесс формирования базальтовой коры морей оторван по времени от момента основного завершения импактного процесса) - земные модели n По существу нет никаких свидетельств наличия у Земли ранней анортозитовой коры типа лунной. Формирование первой коры происходило вероятно в процессе либо кристаллизации магматического океана, образованного за счет тепла, выделившегося при гравитационном обособлении ядра, либо при частичном плавлении в пределах твердой мантии при разогреве за счет радиоактивного распада. В любом случае предполагается, что ее состав был базальтовым или коматиитовым. Свидетельством формирования коры Земли при фракционировании вещества в магматической системе (расплав - твердое) является обогащенность коры некогерентными элементами - элементами с большим зарядом и(или) радиусом. По разным оценкам для формирования коры было вовлечено от 60 -70 до 30 -50% примитивной мантии. Образование коры более кремнекислого состава было более поздним. Континентальная сиалическая коры вообще вероятно имеется только на Земле. Причиной этой уникальности по -видимому является присутствие жидкой воды на поверхности Земли.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ АТМОСФЕРАХ И ГИДРОСФЕРАХ, ДВА ТИПА АТМОСФЕР ПЛАНЕТ

n Согласно нашим современным знаниям об атмосферах планет, газовая оболочка Земли совершенно уникальна в пределах СС. Но имеются веские доказательства того, что первичная атмосфера Земли не отличалась существенно от таковой планет ЗГ, и следовательно нынешняя атмосфера является результатом эволюции, начавшейся 4, 5 млрд. лет назад (а некоторые считают, что и еще раньше). Нынешняя атмосфера Земли своим образованием несомненно обязана развитию земной биосферы. n 1. Наиболее ранняя атмосфера планет, которая могла представлять собой реликт солнечной туманности может быть названа первичной. В отличие от внешних планет-гигантов атмосфера которых представлена как и в солнечной туманности, главным образом, H и He , для планет ЗГ во время их аккреции масса газа первичной солнечной туманности была пренебрежимо малой. В сравнении с солнечной распространеностью Земля настолько обеднена инертными газами, что можно предполагать, что она не удерживала газы в процессе аккреции. Судя по содержанию Ne , в современной атмосфере Земли могло сохраниться не более 1% первичной атмосферы. Кроме того, предполагается, что инертные газы и не являются реликтами первичной атмосферы, а были захвачены Землей путем адсорбции твердым веществом планеты. n Таким образом, можно считать, что планеты ЗГ практически не имели первичной атмосферы, а их древнейшая атмосфера имела иное происхождение.

n 2. Но атмосфера могла начать образовываться уже в период аккреции. Так, Т. Матсуи предполагает образование атмосферы импактного происхождения при столкновении планетезималей , такая атмосфера состояла из Н 1 О и соединений С. Она становилась не устойчивой к концу импактного процесса и с падением Т конденсировалась в океан на конечной стадии аккреции. При этом в дополнение допускается и важная роль в эволюции атмосферы и океана дегазации летучих из мантии. n Но есть представления ( Монин , Сорохтин ), что эти высвобождающиеся летучие должны были преимущественно поглощаться раздробленными реголитоподобными породами на поверхности Земли. n 3. Формирование атмосферы, а в последующем и гидросферы путем дегазацией мантии считается ведущим процессом. Основы этих представлений были заложена А. П. Виноградовым. Под вторичной понимается атмосфера, являющаяся результатом дегазации мантии. После того, как планета достигла современных поверхностных Т 300 К, освобождающиеся в результате вулканических процессов из мантии газы были захвачены гравитационным полем, что приводило к постепенному накоплению газового слоя.

n Судя по составу современных вулканических эксгаляций , продукты первичной дегазации должны были состоять из доминирующих Н 2 О и СО 2, а также H 2 S, CO, H 2, NH 3, HF, HCl, Ar и др. Как свидетельствует соотношение в первичных породах Fe 2+ /Fe 3+ , вещество земной мантии и коры было не досыщенно в отношении О, что определяет незначительные концентрации О 2 в эманациях. Следовательно, атмосфера должна была быть восстановительной и такой ее характер преобладал на протяжении первых 2, 5 млрд. лет (такие минералы как пирит и уранинит накапливались в обломочных осадках не окисляясь - конгломераты Витватерсранда). n Поскольку считается, что температура поверхности при исходной тонкой атмосфере была не высока (+15 С), то доминирующий водяной пар должен был конденсироваться, формируя водную оболочку - гидросферу. n Свободный кислород в атмосфере Земли, как предполагается, появился только к 1, 2 млрд. лет. n Подводя итог можно сказать, что в любом случае атмосферы планеты ЗГ были лишены первичных атмосфер, а формирование вторичной атмосферы, прежде всего на Земле, связано главным образом с дегазацией мантии, но вероятен вклад и дегазации планетезималей в процессе аккреции. n 6. Формирование гидросферы (жидкой воды) на поверхности Земли должно было произойти не позднее 3, 9 -3, 8 млрд. лет - это возраст древнейших железистых кварцитов Гренландии, имеющих явно водное происхождение.

ЭНЕРГЕТИКА ПЛАНЕТ: ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА И РОЛЬ РАДИОГЕННОГО ТЕПЛА; ТЕРМИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ПЛАНЕТ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ

n Вопрос об источниках энергии, определяющей тепловой режим и тектоническую активность Земли, необходимо решать в теснейшей связи с современными данными о составе, строении и развитии Земли. n 1. До открытия радиоактивности считалось, что внутреннее тепло Земли является остаточным от ее первоначального огненно-жидкого состояния, согласно космогенической гипотезе Канта-Лапласа. n 2. После открытия радиоактивности - основным источником внутреннего тепла Земли стали считать выделение тепла при распаде радиоактивных изотопов, прежде всего U 235, U 238, Th 232, K 40. Вместе с тем оказалось, что реальный замеряемый тепловой поток, оценка которого все же значительно возросла после открытия интенсивного тепловыделения в осевых зонах СОХ, намного превышает тепловой поток радиогенного происхождения. По имеющимся оценкам радиогенное тепловыделение для Земли в целом составляет около 1/4 теплового потока.

В настоящее время основными источниками тепла Земли считаются: n 1) тепло, приобретенное Землей в период ее аккреции благодаря соударению планетезималей , что могло привести к формированию магматического океана. К основным первичным источникам энергии Земли, запасенным ею еще в процессе своего образования, можно отнести энергию гравитационной аккреции земного вещества и энергию сжатия земных недр. Первичный разогрев не был большим, а максимальная температура существовала на глубинах ~ 700 -1000 км и достигала 1600 - 1800 o K ( Ca фронов, 1969). (Трудно оценить какова роль этого источника в энергетическом балансе современной эпохи). n 2) На геологической стадии развития нашей планеты, начиная примерно с 4 млрд. лет назад, стал развиваться другой мощный процесс выделения гравитационной энергии, связанный с химико-плотностной дифференциацией земных недр (Сорохтин, 1991), т. е. выделение тепла при фазовых превращениях в мантии и, основное, разделение вещества на силикатную и Ме фазы на границе мантии и ядра. n О. Г. Сорохтиным впервые была высказана мысль о том, что не радиоактивный распад, а дифференциация на границе мантии и ядра является главным источником разогрева Земли.

n Из теории акреции планет Сафронова, 1969 следует, что молодая Земля сразу после образования была однородной по составу и не имела плотного ядра. Следовательно, все ядерное вещество было рассеяно в первичной мантии. Следует ожидать, что самые древние породы должны содержать компоненты, ныне опустившиеся в ядро. Действительно, в ультаосновных и основных породах архея – повышенные содержания Fe. O (Тугаринов, 1970), в древних базальтах Гренландии на острове Диско встречается самородное железо (Левинсон-Лессинг, 1940). В тоже время, никаких заметных аномалий концентрации серы не наблюдается, а имеет место малый удельный вес сульфидной металлогении по сравнению с общей массой содержащихся окислов Fe. В 1970 г. Сорохтин предложил гипотезу окисло-железного состава внешнего жидкого ядра Земли. Fe – 3 d 64 s 2. Под влиянием давления в атомах переходных металлов происходят электронно-фазовые перестройки (без плавления)– внешние электроны переходят на внутренние орбиты, при этом меняются их свойства. Первый переход при P >130 кбар – 3 d 74 s 1. Остается один электрон, появляются свойства одновалентного металла. При этих электронно-фазовых переходах выделяется энергия, она достигает исключительно высоких значений. В низах мантии: n Fe 2 Si. O 4 2 Fe. O+Si. O 2 Fe 2 O+Si. O 2+O n Внешнее ядро состоит из одновалентной окиси железа Fe 2 O c низкой температурой плавления. n При еще больших давлениях 3 Мбар – второй электронно фазовый переход 3 d 8, которым можно объяснить формирование сплава Fe 0. 9*Ni 0. 1 во внутреннем ядре Земли. n Эта гипотеза была проверена в середине 70 по экспериментальным данным ударного сжатия металлов и их окислов. Совместимость принятой гипотезы с распределением плотности вещества в Земле, построенным по независимым сейсмологическим данным. Ее активно поддержали Буллен, Рингвуд. n Этот процесс привел к выделению в центре Земли плотного окисно-железного ядра и к возникновению в остаточной силикатной оболочке, т. е. в мантии интенсивных конвективных движений. Процесс химико-плотностной дифференциации вещества должен сопровождаться возникновением в мантии крупномасштабных конвективных движений, охватывающих всю мантию (вещество без Fe – менее плотное и будет подниматься вверх, а более плотное с железом опускаться вниз). Этим объясняется факт дрейфа континентов, существования литосферных плит, и связанный с этим целый комплекс геологических явлений – землятресения , рифтогенез , поддвиг n океанических плит под островные дуги, магматизм всех типов, наконец и образование плюмов на границе ядро-мантия.

n Сегодня в мантии за счет гравитационной дифференциации генерируется около 3*1020 эрг/с, на долю энергии распада радиоактивных элементов приходится только около 0, 35*1020 эрг/с, остальная и большая часть радиогенной энергии (0, 9*1020 эрг/с), выделяется в земной коре. Расчеты показывают, что в этом случае в настоящее время из мантии в ядро переходит примерно 150 млрд. т / год ядерного вещества. Единственными подходящими на эту роль компонентами в современной мантии являются окислы железа (их содержание ~8%, концентрация сульфидов железа 0. 1%). И с этой точки зрения вероятнее, что легкой добавкой является кислород, а не сера. n Тепловой поток солнечного излучения на поверхность Земли ~ в 4 000 раз превосходит величину глубинного теплового потока. Но после ряда преобразований в атмосфере, гидросфере, биосфере и приповерхностных слоях коры, он почти полностью отражается Землей, и поэтому активно влияет лишь на протекание экзогенных процессов – выветривание пород, поверхностный перенос продуктов их разрушения, осадконакопление и т. д. n В целом аккреционный разогрев планет сменялся дифференционным. Продолжался последний наиболее интенсивно до конца AR (2, 8 -2, 5 млрд. лет), затем его интенсивность снизилась и продолжает снижаться и по ныне. n 3) твердые приливы, обусловленные гравитационным воздействием Луны на Землю - переход кинетической приливной энергии в тепло, но он составляет не более 2% всей тпловой энергии. n Первые три источника проявляли себя максимально в первые 2 млрд. лет жизни Земли, и далее на протяжении всей своей истории Земля, также как и другие планеты ЗГ, испытывает охлаждение. (Предполагается, что Т мантии при образовании составляла 2000 С, сейчас 1350 С, а в архее на 200 С больше. ) n В перспективе через 1 -1, 5 млрд. лет (оценки Сорохтина и Ушакова) Земля превратится в мертвую планету типа Меркурия и Марса.