Изучение химического состава глубинных геосфер невозможно без учета термодинамических условий недр Земли (высоких давлений и температур) и их влияния на свойства вещества. Не вдаваясь в достаточно сложные детали этого принципиального вопроса о составе внутренних оболочек Земли, укажем лишь на две господствующие точки зрения.
Первой была высказана точка зрения о гетерогенном составе внутренних геосфер. Современные данные о плотности и скорости распространения сейсмических волн допускают отождествление вещества верхней мантии с ультраосновными породами. На основании этих же данных можно предполагать преимущественно железо-никелевый состав ядра, верхняя оболочка которого находится в жидком состоянии.
Позже была высказана идея об однородном с точки зрения химического состава строении Земли. Наличие границ в Земле и различие физических свойств геосфер можно объяснить фазовыми переходами вещества. В условиях давления, измеряемого сотнями тысяч МПа, и температуры в несколько тысяч градусов теоретически возможно разрушение не только кристаллической решетки вещества - плавление, но и его электронных оболочек. При этом в ядре Земли вещество переходит в металлическую фазу. Важно отметить, что такая смена способа «упаковки» частиц вещества на атомарном уровне, по всей вероятности, происходит скачкообразно, при достижении достаточного давления и температуры. Таким образом можно объяснить наличие концентрических границ изменения физических свойств вещества Земли при относительном постоянстве ее химического состава. Сторонники этой точки зрения предполагают единый для всей планеты силикатный состав, а скачкообразную смену физических свойств на границах геосфер связывают с фазовыми переходами. Однако современные эксперименты с ударным кратковременным сжатием силикатов и соответствующие теоретические расчеты не подтверждают возможности металлизации силикатов в физических условиях ядра Земли. Тем не менее, нельзя отвергать возможность перестроек кристаллических решеток минералов при увеличении давления; примеры минералов одинакового химического состава, различающихся по способу «упаковки» и физическим свойствам известны.
Современные данные допускают в какой-то степени правомерность обеих точек зрения. И, по-видимому, можно предполагать различное происхождение выделяемых сейсмических границ. Вероятнее всего, в Земле имеются границы смены как химического состава, так и внутренней структуры вещества.
Каковы же основные данные, которые могут быть использованы для изучения химического состава Земли в целом? К сожалению их немного.
Во-первых, химический состав земной коры. Однако не следует забывать, что земная кора представляет только небольшую (менее 1% по массе) часть нашей планеты и поэтому состав Земли в основном определяется составом мантии и ядра.
Во-вторых, геофизические данные - в основном результаты сейсмологии. Однако эти данные допускают неоднозначное истолкование, т.к. одинаковые значения физических свойств - скорости упругих волн или плотности - могут быть присущи веществам различного химического состава.
В-третьих, космологические данные, т.е. результаты изучения космических тел, в первую очередь Луны и метеоритов, падающих на Землю. Эти данные можно использовать только при предположении о близости химического состава исходного вещества планет, по крайней мере, земной группы. Гипотезы о происхождении Земли допускают сходство химического состава Земли и Луны. Кроме того, можно полагать, что поставщиком значительной части метеоритов, падающих на Землю, является пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Существует гипотеза о том, что современные астероиды являются обломками десятой планеты Солнечной системы - Фаэтона. Предполагая сходство химического состава Земли и этой планеты, можно использовать результаты анализа состава метеоритов при изучении химического состава нашей планеты.
Метеориты играют значительную роль в жизни Земли. Ежесуточно на Землю падает около 3 т метеоритов, не считая космической пыли. Всего на Землю попадает не менее 10 тыс.т метеорно-космического вещества в год. И в любом случае, представляют ли метеориты исходный «строительный материал», из которого так и не была сформирована десятая планета, или являются обломками планеты Фаэтон, изучение их химического состава позволяет судить о составе материи, достаточно близкой Земле.
К настоящему времени общее число найденных метеоритов составляет примерно 2500 шт. Число же обломков метеоритов исчисляется десятками тысяч.
В последние годы многочисленные находки метеоритов сделаны в Антарктиде. Связано это не с повышенной частотой падения метеоритов, а с уникальными условиями их сохранения здесь. Только с 1973 по 1983 г.г. японские исследователи Антарктиды подобрали 4750 фрагментов метеоритов (вблизи горы Ямато на Земле Королевы Мод). Размеры метеоритов весьма разнообразны. Метеорит массой 60 т, названный Гоба, найден в Африке. В Каньоне Дьявола, штат Невада, США по диаметру метеоритного кратера в 1,2 км и глубине в 140 м определили, что масса взорвавшегося метеорита составляла 15 тыс.т.
По составу метеориты делятся на железные, железо-каменные и каменные.
Железные метеориты составляют 6% от всех найденных. Они почти целиком сложены железом (89,7%) и никелем (9,1%) и называются сидеролитами. Плотность их около 8 г/см3.
Железл-каменные метеориты составляют лишь 2% найденных. По составу они делятся на паласситы (железо с вкраплениями силикатов) и мезосидериты (примерно равное количество железа и силикатов). Их плотность 5-6 г/см3.
Наиболее часто находят каменные метеориты, составляющие 92% от всего количества. По составу они делятся на хондриты и ахондриты. Хондриты состоят из овальных каплевидных зерен (хондр) силикатов, сцементированных железом. Форма зерен свидетельствует об остывании их в условиях весьма слабого тяготения. Ахондриты по составу близки к земным породам основного ряда - базальтам и иногда содержат до 1% алмазов. Ахондриты - наиболее распространенная разновидность метеоритов. Существует предположение о том, что они являются продуктами лунного вулканизма, выбрасывающего их в поле тяготения Земли. Плотность их около 3,5 г/см3.
Приведенные данные о составе метеоритов, падающих на Землю, служат аргументом в пользу гетерогенного строения планет. Возвращаясь к гипотезе о том, что метеориты являются фрагментами разрушенной планеты Фаэтон, можно установить связь планетных оболочек с классом метеоритов. По мнению А.Н.Заварицкого, ахондриты представляют собой обломки коры планеты, имевшей мощность 40-50 км. Мантия Фаэтона характеризовалась ультраосновным силикатным составом, о чем свидетельствует состав хондритов. Сидеролиты и железо-каменные метеориты могли образоваться при разрушении ядра планеты.
Не вдаваясь в гипотезы существования планеты Фаэтон, следует указать, что астероиды (если судить по метеоритам) по плотности и другим параметрам, безусловно, близки к планетам земной группы. В этой связи важность изучения состава метеоритов очевидна.
Близость химического состава планет подтверждают также данные изучения образцов лунных пород, доставленных советской станцией «Луна-16» и американскими «Аполлон-11 и 12».
С учетом состава и свойств метеоритов и образцов с Луны, а также геофизических (сейсмологических) данных о внутреннем строении Земли рассчитаны модели химического состава Земли в целом (табл.4)
Химический состав Земли
Таблица 4
Химические
Массовая доля,%
элементы
по А.Е.Ферсману
по Б.Мейсону
O
27,71
29,5
Fe
39,76
34,6
Si
14,53
15,2
Mg
8,69
12,7
S
0,64
1,92
Ni
3,46
2,38
Ca
2,32
1,13
Al
1,79
1,09
Прочие
1,1
1,48
Сравнение состава Земли в целом с составом земной коры (см.выше) показывает резкое увеличение в первом доли тяжелых элементов - железа и никеля, что обусловлено влиянием ядра. Приведенные в табл.4 элементы в Земле распространены в виде химических соединений, в самородном виде они встречаются крайне редко.
Ядро Земли имеет, по всей вероятности, железо-никелевый состав, близкий к составу сидеролитов. Содержание железо-никелевого сплава составляет 84-92%, а остальную часть занимают оксиды железа. Переходный слой от внешнего ядра к субъядру может состоять из сернистого железа - троилита FeS.
Мантия образовалась в результате дифференциации первичного вещества по плотности. Железо и никель, опустившись, сконцентрировались в ядре, а в мантии накопилось относительно легкое вещество - пиролит. В составе мантии отсутствует металлическое железо, но ее состав определяется содержанием оксидов кремния, магния, алюминия и кальция. Хондриты по составу занимают промежуточное положение между первичным веществом Земли и пиролитом. Из-за высокого содержания кремния и магния мантию иногда называют симатической оболочкой.
Процесс дифференциации вещества мантии продолжается и в настоящее время. Так, в астеносфере происходит выплавление базальта из пиролита, способного выделить до 25% базальта. После выплавления более легкого базальта, поднимающегося вверх к земной коре, вещество верхней мантии теряет часть SiO2; по составу эта часть пиролита соответствует ультраосновным породам - перидотиту, пироксениту, дуниту. Граница базальта и ультраосновных пород характеризуется резким изменением плотности и сейсмической скорости. Эта граница собственно и есть раздел между корой и мантией - граница Мохоровичича. Дифференциация затрагивает, по-видимому, не только астеносферу, но и нижележащий слой Голицына, к которому приурочены локальные очаги плавления и очаги глубокофокусных землетрясений.
Земная кора, по современным представлениям, является результатом дифференциации вещества мантии. Базальтовый слой, характеризующийся сплошным распространением на Земле, как указывалось выше, выплавляется из пиролита в астеносфере, откуда базальт медленно поднимается вверх к коре в виде огромных масс каплевидной формы - астенолитов.
Существует и другая точка зрения о механизме выплавления базальтов, в соответствии с которой на границе Мохо происходит не резкая смена состава, а лишь перестройка внутренней структуры базальта и переход его в более плотную разновидность - эклогит. Эта перестройка структуры обратима и определяется физическими условиями - давлением и температурой в подошве коры. При изменении этих условий граница Мохо может перемещаться вверх и вниз по разрезу.
Обе приведенные точки зрения объясняют причину появления в подошве земной коры границы, разделяющей базальты и ультрабазиты, в общем довольно близкие по химическому составу. Значительно сложнее объяснить происхождение гранитно-метаморфического слоя, лежащего на базальтах в пределах континентов. По-видимому, этот слой, представленный породами, обогащенными окисью кремния и окисью алюминия, образовался вследствие очень глубокой дифференциации пород, происходившей на ранней стадии развития Земли, и последующего переплавления (возможно многократного) сформировавшихся пород. Гранитообразование в значительной степени связано со вторичными процессами переплавления, происходящими в конвергентных и коллизионных зонах как на границе континентов и океанов, так и внутриконтинентальных. Оно также связано с геологическими процессами, протекающими на поверхности - выветриванием и осадконакоплением, которые сопровождаются образованием пород, обогащенных оксидами.
Из-за высокого содержания кремния и алюминия земную кору иногда называют сиалической оболочкой Земли.
Таким образом, в направлении от внешних геосфер к внутренним возрастает роль более тяжелых элементов, в частности, металлов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какие методы применяются для изучения состава геосфер? Что такое кларк вещества?
2.С какой целью изучают метеориты и лунные образцы?
3.Какие химические элементы характерны для литосферы, мантии, ядра?
4.До какой глубины достоверно изучены химические элементы, слагающие земную
кору? Что такое «ксенолит»?