Мы должны понимать, что количественная оценка энергетического эффекта скалывающих деформаций за всю историю Земли невозможна. Можно, однако, утверждать, что этот вид трансформаций вносит малый вклад в наблюдаемый тепловой поток.

Работа фазовых и химических превращений земного вещества, направленная на увеличение его плотности, совершается главным образом за счет гравигенной энергии. По-видимому, с этими процессами связано существование поверхности Мохоровичича, волновода на глубинах 400-1000 км в верхней мантии и границы между ядром и мантией. Природа этих переходов сейчас еще не ясна. Существует на этот счет несколько мнений: о переходе силикатов в металлическую фазу (гипотеза Лодочникова-Рамзая), о восстановлении окислов железа углеродом (Дж. Ирияма), о фазовых полиморфных переходах на границах волновода и Мохо (В. А. Магницкий). Количественные оценки затрат энергии на формирование глубинных геосфер оцениваются в (1, 6-2, 2)·1031 Дж. К той же группе процессов относятся физико-химические преобразования в земной коре: метаморфизм и гипергенез. Прогрессивный метаморфизм является эндотермическим процессом, и, следовательно, увеличивает скрытый резерв внутренней энергии. Такую же роль играют и процессы седиментогенеза, в ходе которых в осадках аккумулируется солнечная энергия. Однако удельный эффект метаморфизма и седиментогенеза сравнительно мал. Он не превышает 105Дж/кг, что выражается величинами плотности теплового потока в десятые или даже сотые доли мВт/м2. Напротив, процессы гипергенеза - окисление, гидратация, растворение и гидролиз - имеют экзотермическую направленность и характеризуются теми же величинами в энергетических единицах, т. е. обеспечивают переход резерва энергии в подвижную часть энергетического баланса. То же происходит при переплавлении метаморфизованных толщ или при их регрессивном метаморфизме. Промежуточной формой трансформации внутренней энергии является современное теплосодержание Земли, т. е. запас тепла в ее различных геосферах. Суммируя вклад всех указанных процессов, получаем огромную величину скрытого резерва внутренней энергии Земли - 9·1031Дж, что в три раза превышает оценку суммарной генерации. Такое расхождение говорит о необходимости переоценки роли и генерации тепла и теплосодержания в скрытых формах.

Расходная часть энергетического баланса поддается непосредственному измерению, так как состоит из двух видов потери Землей ее внутренней энергии: в виде кондуктивного теплового потока через поверхность Земли и в виде конвективного выноса тепла при вулканизме и гидротермальной деятельности. Эти два важнейших геотермических процесса мы будем ниже обсуждать очень подробно, пока же в рамках энергетического баланса подсчитаем величину общих теплопотерь Земли. Распределение кондуктивного теплового потока на поверхности земного шара крайне неравномерно, но мы вправе для балансовых расчетов оперировать средней его величиной. По последним оценкам он составляет 56 и 78 мВт/м2, соответственно, для континентов и океанов. Таким образом, полный вынос энергии кондуктивным путем оценивается величиной 3, 1·1013 Вт, или 1021Дж/год. За весь геологический период развития Земли планета отдала в мировое пространство 0, 45·1031Дж. В отличие от кондуктивного теплового потока конвективный вынос локализуется в ограниченной части земной поверхности - в вулканических областях переходных зон и в рифтовых зонах континентов и океанов. После открытия глобальной системы срединно-океанических хребтов протяженностью 60000 км пришлось пересмотреть прежние оценки роли конвективного выноса тепла из земных недр, так как практически во всех хребтах из их центральных долин происходит разгрузка магмы и термальных вод.

По расчетам Б. Г. Поляка, вынос тепла вулканизмом суши оценивается в (0, 38-13, 2)·1018 Дж/год, гидротермами суши - (1, 9-2, 8)·1018 и срединно-океаническими хребтами - (0, 44-3, 46)·1018Дж/год. Эти оценки мощности, однако, не дают возможности оценить общие конвективные теплопотери за геологический период существования планеты, так как конвективная мощность менялась во времени - периоды резкого возрастания вулканизма сменялись периодами относительной пассивности; то же можно, вероятно, сказать и о гидротермальной деятельности. Из этих соображений при подсчете общих теплопотерь оперируют их мощностью. Оценки показывают, что мощность кондуктивного выноса на два порядка больше, чем мощность конвекции. Таким образом, можно рассчитать мощность суммарных теплопотерь Земли. Она равна 4, 2·1013 Вт, или 1, 3·1021 Дж/год, что приблизительно дает величину »0, 5·1031Дж. Эта цифра существенно ниже, чем общее энерговыделение в Земле за всю ее историю и в три раза ниже современного теплосодержания. Из этого следует, что наша планета еще очень далека от "тепловой смерти".

Мы должны ясно себе представлять, что проблема энергетического баланса еще далека от разрешения, потому что незнание всего лишь одной компоненты приводит к кажущемуся дисбалансу. Следовательно, роль геотермии в познании энергетического состояния Земли является определяющей, а это значит, что без информации о тепловом поле мы не решим основную задачу теоретической геологии познание эволюции нашей планеты.

Петрология литосферы и верхней мантии - нерешенные и спорные вопросы.

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12