Дальнейшая эволюция ядра Земли
Возникновение ядро земля мантия Из него вытекает, что формирование ядра началось порядка 4109 лет назад после прогрева земных недр до температуры плавления железа и его оксидов. «Революционный» скачок в этом процессе произошёл в интервале времени 2,6 109 лет назад, что связано с выделением эмбриона ядра (протоядра) с массой 0,543 от современной. В дальнейшем процесс шёл более спокойным… Читать ещё >
Дальнейшая эволюция ядра Земли (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Одним из наиболее реальных механизмов выделения «ядерного» вещества из мантии, которое приводит к дальнейшему росту земного ядра, является распад твёрдых растворов под влиянием высоких давлений, диффузии железа и его оксидов из кристаллических решеток железосодержащих силикатов мантии в межгранулярные пространства — механизм бародиффузии. Он был предложен и разработан А. С. Мониным и О. Г. Сорохтиным (1981 г.).|Механизм основам на принципе Ле-Шателье и подкреплён экспериментальными данными. Суть этого принципа в том, что внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.
В качестве твёрдых растворов рассматривается вещество мантии, экспериментально установлено, что твёрдые растворы под действием высоких давлений способны распадаться, тогда, когда их мольный объём превышает сумму мольных объёмов входящих в него компонентов, т. е. когда растворение какого-то компонента приводит к увеличению объёма раствора. Распад твёрдых растворов будет происходить в результате снижения под влиянием давления растворимости компонентов в данной среде.
Исследования В. А. Киркинского (1975) показали, что смесимость компонентов с разной кристаллической структурой резко падает при повышении давления. Основываясь на этом, можно предположить, что при достаточно высоких давлениях (порядка 130 кбар и более) силикатные растворы, содержащие оксид железа, могут распадаться.
В соответствии с экспериментальными работами В. А. Киркинского распад твёрдых растворов описывается известным законом распада жидких растворов (рис. 4) :
Рисунок 4.
Согласно этому уравнению распад твёрдого раствора должен происходить тогда, когда концентрация i-ro компонента Сi в нём равна или превышает предельную концентрацию насыщения раствора данным компонентом, т. е. при Сi > Сы .
Для выведения оксидов железа за пределы кристаллической решетки силикатов в межгранулярные пространства используются диффузионные силы. Диффундирующие атомы вынуждены преодолевать существующие в кристалле энергетические барьеры, позволяющие им перемещаться только в одном направлении и затрудняющие возвратные движения. Такие естественные барьеры возникают на гранях кристаллов и отдельных зёрен, поскольку при диффузии из кристалла атомов железа и кислорода выделяется энергия Е, которая пропорциональна возникшему уменьшению суммарного объёма вещества (V) и давлению (Р):
E = PV.
Чтобы вернуться в исходную позицию диффундирующий атом должен произвести дополнительную работу равную Е. Благодаря этому эффекту оксиды железа при распаде силикатов накапливаются в межгранулярных пространствах и межкристаллических плёнках. В реальности диффундируют не оксиды, а отдельные атомы железа и кислорода. Поэтому правильнее говорить о диффузии железа и кислорода с их парциальными коэффициентами диффузии Д (fe) и Д (o). Скорость диффузии железа в два раза больше, чем у кислорода. Поэтому в межгранулярных пространствах будет концентрироваться один атом кислорода на два атома железа (Fе2О). Исходя из этого, можно ожидать, что в межгранулярных пространствах произойдет накопление закиси железа Fе2О, а в самих кристаллах — окиси железа FeO и освободившегося кислорода (О). При избытке последнего могут возникнуть молекулы магнетита (Fез04).
Наиболее активно механизм бародиффузии начинает работать при достижении неких критических значений Р и Т, что происходит на глубинах более 2000 км. Пик активности процесса приходится на слой D". Возможными донорами железа в низах мантии служат минералы группы оливина, которые распадаются по следующей схеме (О.Г. Сорохтин, 1971) (рис. 5):
Скорость отделения «ядерного» вещества (Fe20) от мантийного (тс), т. е. скорость роста ядра должна быть пропорциональной ускорению силы тяжести (gс) на поверхности ядра, площади его поверхности (S) и некой константе, определяющей скорость самой бародиффузии (К) т. е. (рис. 6):
Рисунок 6.
Для количественной характеристики роста массы ядра Л. С. Мониным (1977) было введено понятие об эволюционном параметре (х), под которым понималось отношение массы земного ядра (mс) к суммарной массе «ядерного» вещества в Земле (рис. 7):
Рисунок 7.
Тогда, в наши дни х = 0,865, а в момент выделения эмбриона ядра (конец архея) эволюционный параметр равнялся 0,543. На приводимом графике показано изменение величины эволюционного параметра Земли во времени (рис. 8).
Рисунок 8.
возникновение ядро земля мантия Из него вытекает, что формирование ядра началось порядка 4109 лет назад после прогрева земных недр до температуры плавления железа и его оксидов. «Революционный» скачок в этом процессе произошёл в интервале времени 2,6 109 лет назад, что связано с выделением эмбриона ядра (протоядра) с массой 0,543 от современной. В дальнейшем процесс шёл более спокойным, эволюционным путём за счёт постепенного отделения «ядерного» вещества от силикатов мантии с помощью механизма бародиффузии. Следуя этому графику, можно прогнозировать, что через 1 млрд. лет «х» будет равен 0,913, а через 2 миллиарда лет — 1, т. е. процесс выделения ядра полностью завершится и всё «ядерное» вещество из мантии перейдет в ядро. К этому же времени прекратится выделение энергии гравитационной дифференциации, и недра нашей планеты начнут остывать, что повлечёт за собой резкое снижение, а потом и прекращение тектономагматической активности. На Земле наступит тепловая и тектоническая смерть. Из графика следует также, что во времени скорость выделения земного ядра существенно менялась. Используя данные по эволюционному параметру (х), средней концентрации «ядерного» вещества в Земле (Со~0,375) и предельной концентрации насыщения им твёрдых растворов (С*), О. Г. Сорохтин предлагает определить скорость роста относительной массы ядра (х) как (рис. 9) :
Рисунок 9.
Исходя из этого им рассчитано, что в настоящее время из мантии в ядро ежегодно переходит около 1,58−1017г (158 млрд. т) «ядерного» вещества или порядка 138 млрд.т. металлического железа. В период бурного выделения ядра в позднем архее эта скорость составляли приблизительно 2,25 трлн.т. «ядерного» вещества, или 1,97 трлн т металлического железа в год, т. е. больше чем на порядок превышала скорость этого процесса в наши дни.