КАТАРХЕЙСКИЙ ГЛОБАЛЬНЫЙ ВУЛКАНИЗМ И ФОРМИРОВАНИЕ СИАЛИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЗЕМНОЙ КОРЫ

Догеологическое состояние Земли

В истории Земли следует различать две основные стадии — космологическую и геологическую. В ходе космологической стадии произошли события, которые привели к формированию центральной дозвездной массы прото-Солнца и планетных тел Солнечной системы. В ходе последовавшей после завершения аккреции геологической стадии начался процесс интенсивного вулканизма и преобразования планетного вещества (физического, химического, биологического). Поскольку основой геологического процесса является вулканизм, то возникает вопрос: каковы были предпосылки развития вулканизма не только на Земле, но и на других планетах? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос в научной литературе нет.

Не менее важно понять и то, как происходила аккреция планетных тел — была она однородной или гетерогенной? В настоящее время преобладают две гипотезы: согласно первой планеты формировались из гомогенного материала с последующим разделением на геосферы путем химической дифференциации по удельному весу [20; 24; 40; 41]. По второй гипотезе существующее разделение на геосферы было заложено изначально — в ходе гетерогенной аккреции. При этом центральное металлическое ядро образовалось также изначально [50; 60]. Предполагается, что образование внешнего жидкого ядра происходило за счет нагрева протовещества в результате преобразования кинетической энергии падения крупных внеземных тел на поверхность металлического ядра в тепловую. Возникший при этом расплав в результате начавшейся аккреции оказался захороненным пылегазовым материалом [60]. Принятие такой идеи образования жидкого ядра не может объяснить его длительное стационарное существование на протяжении 4,5 • 109 лет, а также последующее увеличение его размеров, что находит отражение в возрастании магнитного момента и напряженности магнитного поля Земли от докембрия к фанерозою [49; 63].

Что касается первой гипотезы дифференциации вещества, то в условиях высоких давлений, которые в мантии Земли достигают сотен тысяч атмосфер, физически представить свободное расслоение вещества по удельному весу не представляется возможным. С другой стороны, не ясен механизм фрагментации гомогенного материнского облака Солнечной системы с образованием центров масс прото-Солнца и планет. Трудно представить, чтобы в первичной пылегазовой туманности массивные агломерации протовещества возникли самопроизвольно, без центральных ядер конденсации, образовавшихся ранее на стадии гравитационной неустойчивости из многочисленных обломков железного, железоникелевого состава. Эти массивные металлические агломерации стали центрами конденсации более легкого железосиликатного и силикатного материала с акклюдированными на них летучими и водой. В частности, по закону Стокса [60] железные и железоникелевые частицы материнского облака будут объединяться и падать на поверхность формирующегося ядра в миллион раз быстрее силикатных и тем более газовых компонентов туманностей.

Сейсмические измерения на Земле и Луне, изучение их моментов инерции вращения, а также собственные колебания Земли от сильных землетрясений обнаруживают наличие у этих космических объектов центральных металлических ядер радиусом 1270 км и 360 км соответственно. Из оценки средней плотности и моментов инерции аналогичные центральные ядра металлического состава предполагаются и у других планет, как, впрочем, и у прото-Солнца [6; 10; 20; 32; 37; 63]. Сравнение параметров Земли и Луны показывает, что отношения объемов планет и металлического ядра и отношения их масс с приведенной плотностью (р) являются величинами постоянными. Так, для Земли имеем:

Мпп/М_

v„„/vw, = 126; -К---ие. = 16,1; (VL1)

Рпл

для Луны, соответственно,

М /М Vr„,/v„p, = 113; —= = 14,5, (VI.2) Рпл

т.е. измеренные параметры отличаются па величину не более 10%.

Расчеты для других планет дают близкий к земным результат (табл. 9).

Таблица 9

Отношения объемов и масс планет к объему и массе их металлического ядра — по сейсмическим измерениям (*) и рассчитанным теоретически (**)

Показатель

Юпитер

Земля

Венера

Марс

Луна

VnVVfljpa

125,4**

126*

125,6**

123**

113*

126**

МплЯдра

111,8

89*

87,5

64

48,4*

54,5**

Окончание табл. 9

Показатель

Юпитер

Земля

Венера

Марс

Луна

Средняя плотность р, г/см3

6,84 [24]

5,52*

5,25

3,94

3,34

Мплядра 3/

16,3

16,1*

16,6

16,2

14,5*

Ргш

16,3**

R ядра, км

8084

1270*

1210

678

360*

346**

Приведенные данные свидетельствуют, что на каждый грамм ядра приходится 16,3 см3 планетного тела. Иными словами, объем планеты оказывается пропорционален массе первичного металлического ядра! Найденная закономерность позволяет, используя известные астрономические параметры планет, в частности их объем и радиус, определить объем и радиус их твердого ядра:

Уядра = Vnjj/126; Кпл/Яядра = 5,0; Кадра = Кпл/5,о. (VI.3)

Нормируя параметр МплЯдРа по средней плотности (р), получаем:

Упл/Мядра = 16,3 г/см3. (VI.4)

Рпл

Отсюда можно определить массу ядра по астрономическому параметру объема планеты и, полагая плотность ядра (р) равной 7,8 г/см3 (плотность железа), получим:

Мядра = Упл/16,3. (VI.5)

Учет сжатия можно определить по изменению плотности (р) ядра на Земле и Луне [6].

Функциональная связь между размерами твердого ядра и объемом планеты могла реализовываться только через гравитационное поле, создаваемое массой ядра. Напряженность такого поля будет определяться выражением:

g = goR2/(R + Н)2, (VI.6)

где go — напряженность поля силы тяжести на поверхности ядра радиуса; R; Н — расстояние от поверхности ядра (изменяется в радиусах).

Изменение силы тяжести (g) и плотности вещества (р) пылегазовой туманности на различных расстояниях от металлического ядра можно представить в виде следующей таблицы:

Таблица 10

Изменение силы тяжести и плотности вещества пылегазовой туманности

Высота над поверхностью ядра

R = 0 (на поверхности ядра)

R

2R

3R

4R

9R

Напряжение силы тяжести

go = 0 (на поверхности ядра)

1/4 go

1/9 go

1/16 go

1/25 go

  • 1/100 g
  • 0

Плотность облака р, г/см3

р= 1,0 (на поверхности ядра)

0,25

0,11

0,06

0,04

0,007

Расчеты показывают, что сила гравитационного притяжения масс, расположенных в пространстве вокруг центрального ядра, убывает по мере удаления от него по обратно квадратичному закону и на расстоянии 10 R уменьшается в 100 раз, а на расстоянии в 100 R — в 10000 раз. Аналогичным образом, подчиняясь закону гравитации, происходит увеличение плотности пылегазового облака от 10-6 г/см3 на расстоянии 100 R до 0,25—0,007 г/см3 при расстояниях от поверхности ядра от R до 10 R, т.е. плотность вещества облака нарастает лавинообразно при приближении к гравитирующей массе, увеличиваясь за 130 тыс. км почти в миллион раз. Таким образом, вокруг ядер конденсации будущих планет и прото-Солнца в начальный период гравитационной неустойчивости Солнечной системы существовали значительные сгущения пылегазового материала и обширные разреженные пространства при удалении от гравитирующих масс. В результате взрыва сверхновой в окрестностях Солнечной системы центральная протосолнечная и периферийные протопланетные туманности приобрели вращательный момент. Одновременно лавина долгоживущих изотопов 232Th, 235U и 40К, свидетельствующих, что сверхновая была далеко проэволюционировавшей звездой позднего спектрального класса[1], прошла через всю туманность, лишь слегка обогатив ее разреженную часть радиоактивными элементами (до 10“9 г/г). При этом наибольшая концентрация радиоактивных возникла в сгущениях протовещества вокруг ядер (до 10“4—10~5 г/г). Последовавшая аккреция обедненными долгоживущими изотопами силикатного и газового материала туманности захоронила эту толщу между центральным ядром и нижней мантией Земли и планет.

Таким образом, формирование планетных тел и светила шло гетерогенным путем, при котором образование так называемого внешнего ядра происходило не из горячего, расплавленного в результате падения планетезималей материала [60], а из холодной пылегазовой материи. При этом масса радиоактивного вещества была пропорциональна объему и массе центрального металлического ядра, и это в дальнейшем сыграло, как будет показано, выдающуюся роль в эволюции Земли, больших планет земной группы и планет-гигантов.

Идеи химической дифференциации родились из наблюдений доменного процесса плавления металлов, в условиях которого отсутствуют давления, аналогичные наблюдаемым в земных недрах. Можно предположить, что в очень ограниченных масштабах дифференциация происходит в очагах вулканизма, расположенных на глубинах 50—70 км. Нельзя исключить также некоторую дифференциацию в зоне так называемого жидкого внешнего ядра при разогреве ее до точки плавления радиогенным теплом; эту зону в дальнейшем, исходя из генезиса, будем называть зоной радиогенного тепла, или сокращенно — ЗРТ.

  • [1] Такие звезды не продуцируют короткоживущие изотопы, которые являются продуктом молодых горячих звезд ранних спектральных классов.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >