Процесс формирования земного ядра
Количественную сторону процесса выделения земного ядра, как и процесс дифференциации Земли, удобнее рассматривать начиная с современной ситуации, при которой рост ядра происходит благодаря действию бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества. Скорость протекания этого процесса при бародиффузионном механизме отделения «ядерного» вещества (Fe2O) от силикатов мантии, очевидно, оказывается пропорциональной разности между концентрацией окислов железа (в пересчёте на Fe2O) в мантии C и значением предельной концентрации насыщения этими же окислами твёрдых силикатных растворов на подошве мантии C. С другой стороны скорость стекания окислов железа из пограничного слоя на подошве нижней мантии (из слоя Берзон) в ядро, т.е. скорость отделения «ядерного» вещества от мантийного и, следовательно, скорость роста ядра, должна быть пропорциональной ускорению силы тяжести g на поверхности ядра, величине его поверхности S и скорости самой бародиффузии k
где С — концентрация окислов железа в мантии (в пересчёте на Fe2O); C* — предельная концентрация насыщения силикатов окислами железа на подошве мантии; Rc — радиус растущего ядра.
Для количественной характеристики рассматриваемого процесса дифференциации А. С. Монин (1977) ввёл понятие эволюционного параметра Земли х, определив его отношением массы земного ядра Mc к суммарной массе «ядерного» вещества в Земле
где M — масса Земли; Co — суммарная концентрация в Земле «ядерного» вещества (железа, его окислов и других тяжёлых элементов, переходящих в земное ядро). Значение параметра х можно определить по химическому составу современной Земли. Сейчас в земном ядре содержится 1,94×1027 г «ядерного» вещества, в современной мантии ещё осталось около 4,15% Fe2O3 и 4,37% FeO, что в пересчёте на эвтектический состав Fe×FeO даёт 7,2%, или 0,297×1027 г «ядерного» вещества. Всего же в Земле с учётом концентрации окислов железа в континентальной коре содержится 2,244×1027 г этого вещества. Следовательно, общая концентрация «ядерного» вещества в Земле Co = 0,375, а современное значение эволюционного параметра Земли, который фактически определяет относительное значение безразмерной массы земного ядра, равно хo = 0,865.
Поскольку в центре Земли ускорение силы тяжести равно нулю, то развитие процесса бародиффузионной дифференциации земного вещества могло происходить только после образования в центре Земли зародыша земного ядра. Возможный сценарий развития такого процесса рассмотрен в разделе 4.2. Судя по геологическим данным и приведённым выше теоретическим соображениям, процесс формирования зародыша земного ядра с относительной массой xe растянулся почти на 1,4 млрд лет, но к рубежу архея и протерозоя, около 2,6 млрд лет назад, такой зародыш ядра с относительной массой 0,543 уже полностью сформировался. После этого времени дальнейший рост ядра происходил только благодаря действию бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества, описанного в разделе 4.3.
Учитывая же приведённые выше закономерности развития процесса, можно аналитически определить относительную скорость выделения земного ядра & После интегрирования этой скорости находятся и сами значения параметра х на всем интервале действия бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества: от конца архея, 2,6 млрд лет назад (х = 0,543), до наших дней и даже до далёкого будущего. Например, ещё через 1 млрд лет х будет равен 0,913.
На интервале времени формирования зародыша земного ядра от 4 до 2,6 млрд лет назад, т.е. в архее, действовали другие закономерности. Поэтому аналитическую зависимость эволюционного параметра Земли от времени следует определять по расчётным массам «ядерного» вещества, выделившегося в кольцевые зоны дифференциации (в слои железистых расплавов). При этом, однако, необходимо учитывать постепенное расширение низкоширотного кольцевого пояса, в котором и развиваются процессы зонной дифференциации земного вещества (см. раздел 4.2). В первом приближении мы выбрали синусоидальный закон расширения активной зоны: 4 млрд лет назад такая зона только зарождалась, а к концу архея около 2,6 млрд лет назад она уже расширилась на всю Землю. Зависимость эволюционного параметра Земли х от времени, или, что то же, кривая изменения безразмерной массы земного ядра, для всей истории развития нашей планеты приведена на рис. 36, а зависимость производной & от времени или скорости выделения земного ядра — на рис. 37.
Возникшая в архее гравитационная неустойчивость Земли, связанная с функционированием механизма зонной дифференциации земного вещества, как уже отмечалось, скорее всего привела в конце архея к катастрофическим событиям, в результате которых все выделившееся до этого «ядерное» вещество достаточно быстро переместилось к центру Земли. Поэтому можно считать, что на рубеже архея и протерозоя около 2,6 млрд лет назад у Земли сформировалось молодое ядро, а его дальнейший рост после этого уже происходил по более спокойному механизму бародиффузионного выделения окиси одновалентной фазы железа Fe2O. Момент перехода Земли на новый режим развития, около 2,6 млрд лет назад, который следовало бы назвать режимом главной последовательности развития планеты, чётко виден на рис. 36 и 37. К концу архея, т.е. за первые 1,4 млрд лет геологического развития Земли, успело сформироваться приблизительно 63 % массы современного ядра, тогда как остальные 37 % выделились за протерозой и фанерозой, т.е. за последние 2,6 млрд лет.
Таким образом, по рассматриваемой модели эволюции Земли в архее ещё не существовало земного ядра. Вероятнее всего, вместо него существовал экваториальный кольцевой пояс тяжёлых расплавов железа и его окислов эвтектического состава. Такая жидкая железо-окисножелезная астеносфера в архее медленно продвигалась вглубь Земли. При этом происходило её постепенное расширение и увеличение мощности. В соответствии с этим и геомагнитное поле тогда должно было существенно отличаться от современного поля. Настоящее ядро у Земли, правда несколько меньших размеров, чем современное, сформировалось только на рубеже архея и протерозоя. С этого же времени у Земли возникло и геомагнитное поле современного типа (см. рис. 33).
Судя по современному значению скорости изменения эволюционного параметра Земли x& = 0,657×10-10 лет-1, можно определить, что в настоящее время из мантии в ядро переходит около 1,5×1017 г/год, или 150 млрд т/год «ядерного» вещества (Fe2O), т.е. приблизительно 131 млрд т/год металлического железа. В позднем архее, около 2.9 млрд лет назад, в год выплавлялось приблизительно 1,65 трлн тонн металлического железа.
Формула 10. Скорость роста ядра
где С — концентрация окислов железа в мантии (в пересчёте на Fe2O); C* — предельная концентрация насыщения силикатов окислами железа на подошве мантии; Rc — радиус растущего ядра.
Для количественной характеристики рассматриваемого процесса дифференциации А. С. Монин (1977) ввёл понятие эволюционного параметра Земли х, определив его отношением массы земного ядра Mc к суммарной массе «ядерного» вещества в Земле
Формула 11. Процесс диференциации
где M — масса Земли; Co — суммарная концентрация в Земле «ядерного» вещества (железа, его окислов и других тяжёлых элементов, переходящих в земное ядро). Значение параметра х можно определить по химическому составу современной Земли. Сейчас в земном ядре содержится 1,94×1027 г «ядерного» вещества, в современной мантии ещё осталось около 4,15% Fe2O3 и 4,37% FeO, что в пересчёте на эвтектический состав Fe×FeO даёт 7,2%, или 0,297×1027 г «ядерного» вещества. Всего же в Земле с учётом концентрации окислов железа в континентальной коре содержится 2,244×1027 г этого вещества. Следовательно, общая концентрация «ядерного» вещества в Земле Co = 0,375, а современное значение эволюционного параметра Земли, который фактически определяет относительное значение безразмерной массы земного ядра, равно хo = 0,865.
Поскольку в центре Земли ускорение силы тяжести равно нулю, то развитие процесса бародиффузионной дифференциации земного вещества могло происходить только после образования в центре Земли зародыша земного ядра. Возможный сценарий развития такого процесса рассмотрен в разделе 4.2. Судя по геологическим данным и приведённым выше теоретическим соображениям, процесс формирования зародыша земного ядра с относительной массой xe растянулся почти на 1,4 млрд лет, но к рубежу архея и протерозоя, около 2,6 млрд лет назад, такой зародыш ядра с относительной массой 0,543 уже полностью сформировался. После этого времени дальнейший рост ядра происходил только благодаря действию бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества, описанного в разделе 4.3.
Учитывая же приведённые выше закономерности развития процесса, можно аналитически определить относительную скорость выделения земного ядра & После интегрирования этой скорости находятся и сами значения параметра х на всем интервале действия бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества: от конца архея, 2,6 млрд лет назад (х = 0,543), до наших дней и даже до далёкого будущего. Например, ещё через 1 млрд лет х будет равен 0,913.
На интервале времени формирования зародыша земного ядра от 4 до 2,6 млрд лет назад, т.е. в архее, действовали другие закономерности. Поэтому аналитическую зависимость эволюционного параметра Земли от времени следует определять по расчётным массам «ядерного» вещества, выделившегося в кольцевые зоны дифференциации (в слои железистых расплавов). При этом, однако, необходимо учитывать постепенное расширение низкоширотного кольцевого пояса, в котором и развиваются процессы зонной дифференциации земного вещества (см. раздел 4.2). В первом приближении мы выбрали синусоидальный закон расширения активной зоны: 4 млрд лет назад такая зона только зарождалась, а к концу архея около 2,6 млрд лет назад она уже расширилась на всю Землю. Зависимость эволюционного параметра Земли х от времени, или, что то же, кривая изменения безразмерной массы земного ядра, для всей истории развития нашей планеты приведена на рис. 36, а зависимость производной & от времени или скорости выделения земного ядра — на рис. 37.
Рисунок 36. Зависимость эволюционного параметра Земли (безразмерной массы земного ядра) от времени
Рисунок 37. Скорость изменения эволюционного параметра Земли в единицах 10-10 лет-1, или относительная скорость выделения вещества земного ядра
Возникшая в архее гравитационная неустойчивость Земли, связанная с функционированием механизма зонной дифференциации земного вещества, как уже отмечалось, скорее всего привела в конце архея к катастрофическим событиям, в результате которых все выделившееся до этого «ядерное» вещество достаточно быстро переместилось к центру Земли. Поэтому можно считать, что на рубеже архея и протерозоя около 2,6 млрд лет назад у Земли сформировалось молодое ядро, а его дальнейший рост после этого уже происходил по более спокойному механизму бародиффузионного выделения окиси одновалентной фазы железа Fe2O. Момент перехода Земли на новый режим развития, около 2,6 млрд лет назад, который следовало бы назвать режимом главной последовательности развития планеты, чётко виден на рис. 36 и 37. К концу архея, т.е. за первые 1,4 млрд лет геологического развития Земли, успело сформироваться приблизительно 63 % массы современного ядра, тогда как остальные 37 % выделились за протерозой и фанерозой, т.е. за последние 2,6 млрд лет.
Таким образом, по рассматриваемой модели эволюции Земли в архее ещё не существовало земного ядра. Вероятнее всего, вместо него существовал экваториальный кольцевой пояс тяжёлых расплавов железа и его окислов эвтектического состава. Такая жидкая железо-окисножелезная астеносфера в архее медленно продвигалась вглубь Земли. При этом происходило её постепенное расширение и увеличение мощности. В соответствии с этим и геомагнитное поле тогда должно было существенно отличаться от современного поля. Настоящее ядро у Земли, правда несколько меньших размеров, чем современное, сформировалось только на рубеже архея и протерозоя. С этого же времени у Земли возникло и геомагнитное поле современного типа (см. рис. 33).
Рисунок 33. Изменения интенсивности магнитного поля Земли по палеомагнитным данным (Hale, 1987).
Горизонтальными и вертикальными линиями показаны доверительные интервалы измерений; кружком с крестиком отмечена интенсивность современного геомагнитного поля.
Судя по современному значению скорости изменения эволюционного параметра Земли x& = 0,657×10-10 лет-1, можно определить, что в настоящее время из мантии в ядро переходит около 1,5×1017 г/год, или 150 млрд т/год «ядерного» вещества (Fe2O), т.е. приблизительно 131 млрд т/год металлического железа. В позднем архее, около 2.9 млрд лет назад, в год выплавлялось приблизительно 1,65 трлн тонн металлического железа.