Geum.ru

Химический состав глубинных оболочек Земли. Химический состав небесных тел

Вид материалаЛекция

Содержание


Кислород 0,5
Подобный материал:
Лекция 8

Химический состав глубинных оболочек Земли. Химический состав небесных тел


1 Химический состав мантии и ядра Земли


Итак Фрейд Хойл показал что именно магнитное поле небулы - протопланетной туманности виновато в образовании планет, заставив ее вращаться как единое целое и тем увеличив угловой момент вращения сместившийся к периферии (М=mwr2 вместо М=mwr) поэтому и момент движения планет 98 % ,хотя масса солнца в 700 раз больше чем всех планет вместе. Но закономерности распределения химических элементов в планетной системе Хойла не заинтересовали. А вот геологу Ларину именно это было необходимо знать. Он построил график распространенности элементов в нашей планетной системе, и оказалось, что концентрации их закономерно изменяются по мере удаления от солнца и строго увязаны с их потенциалом ионизации. Чем он меньше, тем легче электрону освободиться от уз ядра, но заряженному иону труднее оторваться от источника магнитных силовых линий (тормозят). И это главная причина химической зональности солнечной системы. Это дало возможность Ларину определиться с исходным составом Земли и высказаться по поводу современного. По его мнению, первоначально он мало отличался от состава Солнца. Помимо водорода и гелия в нем присутствовали в ат % :

Кремний 19,5

Магний 15,5

Железо 2,5

Кальций 0,9

Алюминий 1

Натрий 0,7

Кислород 0,5

Углерод 0,03

Сера 0,01

Азот 0,01

Водород 59


( Надо заметить , что существуют и иные цифры соотношения элементов в космосе, которые свидетельствуют о том что кислорода в Солнечной системе как раз больше чем кремния и магния - Русако, Хантен). Из этой таблицы следует интересный вывод, который в корне заставляет менять представление и о современном химическом составе в целом всей нашей планеты и особенно ее главных оболочек: мантии и ядра - железа на образование ядро явно маловато, а на мантию кислорода вообще почти нет - его потребовалось бы не менее 30вес% от всей массы исходного вещества.

Итак, по Ларину мантия не силикатная, а ядро не железное, а какое же тогда? Этот ученый предложил оригинальную гидридную т.е водородную парадигму строения и геодинамики нашей планеты . На чем основываются его доказательства? При избытке атомов водорода в первичном веществе планеты основная масса ее должна быть связана с гидридами - соединениями водорода с металлами, которых 87% по массе. Водород или протон, благодаря малому размеру легко проникает в решетку любых кристаллов и способен растворятся в огромном количестве до тысячи объемов на один объем металла. Удивительно, что металл при этом очень сильно уплотняется. Водород, например, используется в металлургии при очистке металла от примесей, в том числе и от кислорода, продувкой слитков водородом. В гидридах водород играет роль аниона, а не катиона, как например в воде или в кислотах. При очень высоких давлениях гидриды образуются охотнее, а температура действует обратно. Эксперименты показывают - насыщенный при высоком давлении водородом магний и кремний увеличивают свою плотность в 14 раз, т. в таком виде вполне могут претендовать в качестве строительного материала для мантии и даже ядра. Просто протон, проникая внутрь атома, увеличивает эффективный заряд ядра, сжимая внешние электронные оболочки и уплотняя тем самым структуру атома, в который он проникает.

Реакции образования гидридов эндотермические т. е аккумулируют тепло, расходуя его на образование химических связей. Гравитационное сжатие как фактор образования земли не давал первичного разогрева его именно за счет буферного эффекта образования гидридов. Но вот потом, когда накопилось достаточно радиогенного тепла, гидриды в центре планеты начали распадаться, запустив тем самым механизм водородного дыхания планеты, разумеется, оно начиналось там, где давление было меньше. Именно этот процесс привел к расслоению планеты на гидридное ядро и на металлическую кремний-магниевую мантию, где водород насыщает металлы, но не образует гидридов. В самом деле мы видим , что такие глубинные породы как кимберлиты богаты водородом, благодаря ему, там сильно восстановительная обстановка, а силикатные минералы водные, оливин там полностью замещен серпентинитом. Водород продувает мантию, вынося вместе с собой к поверхности кислород, вот поэтому его много именно в литосфере, вот поэтому именно на поверхности Земли и сформировалась гидросфера. А избыточный водород улетучился в космос. Сила притяжении Луны, Меркурия, Марса не хватило для удержания водорода и воды там нет. На Венере слишком горячо, водород с поверхности там улетучивается быстрее, чем на Земле.

Как Ларин объясняет наличие твердого внутреннего и жидкого внешнего ядра? Дело в том, что физикам и металлургам было известно, что наводороженный металл хрупок. Ларин же убедил новосибирских академиков провести нелепый с их точки зрения эксперимент по изучению свойств наводороженного титана. И оказалось неожиданно, что металл этот при огромных давлениях в 12 тыс атмосфер, соизмеримых с глубинными, потек. Это означает, что внешнее ядро, сложенное металлами, насыщенными водородом, а точнее протонами, действительно может быть жидким именно благодаря большому давлению.

Геофизики фиксируют скачки сейсмических волн на глубине 400, 670 и 1050 км, а это как раз соответствует скачкам плотности кремния при росте давления. Кремний, как известно и не металл, а так - полупроводник, а вот при высоком давлении полупроводник скачком превращается в металл. Силикаты как оксиды металлов на такое не способны, следовательно, мантия не силикатная, а скорее металлическая и верхние переходы в самом деле фазовые: полупроводник - металл. И графики распространения волн в ней такие, которые соответствуют не силикатам, а именно металлам. И самое интересное. На глубине 1200км, давление такое, при котором плотность кремния будет 4,66, а расчетная плотность мантии здесь 4, 67, что и подтверждают геофизики. Совпадение? Вряд ли.

Теперь о тектонике. Все признают плитную структуру литосферы, но одни признают движение плит с корнями, а другие без оных. С корнями это те, кто считает, что плиты разрываются за счет расширения Земли. Таких много. Например, Юрковский об этом твердил еще в конце 19 века, среди наших современников Кейт, Нейман, Клаус Фогель. Последний в 1976 году продемонстрировал прозрачный глобус, в котором есть внутренний с теми в контурах континентах, но без океанов, каким он был в венде 600тыс лет назад. Что же раздувает Землю? Опять водород виноват, точнее его дегазация, которая приводит к уменьшению плотности вещества и увеличению объема. При этом мантия утолщается, а ядро усыхает. Дегазация естественно более активна по разломам, а

разуплотнение ведет и к расплаву пород, то есть к зарождению магм. Последние и являются источниками воды. В газах Гавайских вулканов, например, водяного пара более 80%. Тектоника будет существовать до полной дегазации водорода. Тектонические циклы есть результат пульсирующего характера дегазации, за счет соотношения процессов разогрева при радиоактивном распаде и охлаждении при дегазации. В тектонике плит в качестве механизма их движения привлекаются масс-тепловые конвективные ячейки, а в гидридной гипотезе Ларина это поднимающиеся струи водорода. В принципе кинетика схожая, но природа ее разная. Но про тектонику вам будут рассказывать другие.

Мы возвращаемся к химии небесных тел. Итак мы знаем, что ничего не знаем об истинном химическом составе глубинных зон Земли. Все строится по большей части на косвенных данных и смелых догадках.


2 Вещество вселенной и его происхождение


В 2002 г. ведущими учеными физиками-ядерщиками США, Японии и других стран был проведен эксперимент на установке типа нынешнего колайдера, но поменьше. Достигнуты были сверхтемпературы 2*1012К, т.е на 5-6 порядков превышающие температуру в центре Солнца. В результате ядра атомов распались на элементарные частицы кварки и глюоны. Именно эти частицы претендуют на роль кирпичиков Мироздания. По современным представлениям материя Вселенной весьма неоднородная и то, что доступно нам для изучения составляет не более 5% всех ее составляющих. А в целом они распределяется так. Химические элементы «тяжелые» (кроме водорода) -0,03%, нейтрино 0,3, звезды и галактики 0,5%, скрытая гравитация, неравномерно распределенная, связанная с галактиками - 30%, вакуумная (темная)энергия, равномерно распределенная - 65%.

Откуда, что взялось. Физики говорят, что все началось задолго до всемирного потопа. А именно где-то около 11млрд лет назад. И их модель Большого взрыва ничем не отличается от библейской модели божественного мироздания. В начале была тьма, и лишь дух носился над бездной, так сказано в первых строках священного писания. И вот, в течение неуловимого для нашего восприятия момента - огненная вспышка, излучение и появилась сверплотная (1094 г/см3 и свехгорячая материя будущей Вселенной. Далее появились элементарные частицы, а затем андроны (протоны и нейтроны) которые появились лишь спустя некоторое время ( на пятом этапе, в течении 10-12 - 10-11с от начального нулевого момента). Представляю, как бы потирали руки средневековые инквизиторы, поджаривая еретика Джордано Бруно, получив такую информацию от самой авторитетной науки. Стабильные ядра водорода и гелия появились спустя лишь 3мин 44сек. А вот начало образования звезд и галактик первого поколения и более тяжелых элементов до железа включительно произошло значительно позже в период 1-100млн л от начала сотворения. Второе поколение формируется от 100млн от 7млрд лет, т,е до 4,5 млр. лет назад, когда образовалась наша солнечная система наряду с другими подобными в нашей Галактике. Как она образовалась, мы это рассмотрели в предыдущей лекции в изложении Ларина. Что известно из других источников и на основании самых последних данных? В принципе то же самое, известное еще у И. Канта. Газово-молекулярная (водородная) туманность с примесью силикатной пыли с размерами частиц более 0,1 мкм (вещество космической пыли) - вот из чего и образовалась солнечная система. В числе основных химических элементов, которые входили в состав протосолнечного облака называют 9 элементов: водород, гелий, кислород, углерод, азот, неон, кремний, магний, железо. (см В.И Сиротин «Сравнительнпя планетология», 2009г). По данным изотопии часть вещества космической пыли, которая попадает в руки ученых, более древняя, чем наша планетная система.

Что известно о планетах, холодных сферических телах - спутниках горячих звезд? Планеты и целые их системы вокруг некоторых звезд сейчас обнаружены в окрестностях нашей Галактики во множестве. А есть еще и проплиды - холодные газово-пылевые диски, вокруг молодых звезд, которым еще предстоит сформироваться в систему подобную нашей. Таких проплид много в созвездии Ориона. Преимущественно планетами обзавелись одиночные звезды, как наше Солнце но иногда встречаются они и у двойных и даже тройных, например у двойной гамма-Цефея обнаружена планета в 1.7 раз больше Юпитера. Причиной образования планетных дисков считается взаимодействие, а точнее противодействие гравитационного и магнитного полей звезды, в результате чего часть вещества последней оказывается сброшенной в экваториальной плоскости звезды. А вот внятно как у Ларина о причинах дифференциации вещества ничего не говорится. У В.И.Сиротина в книге «Сравнительная планетология» упоминаются лишь три зоны вокруг Солнца, образование которых связываются с понижением температуры по мере удаления от звезды и тугоплавкостью элементов и их соединений. А это очень важный момент в понимании причин формирования геохимической зональности как универсального закона природы, расслоения планет на оболочки т. е. их стратификации, и ответ на вопрос зачем нужна жизнь как форма существования материи и в чем собственно вселенское предназначение человека: детерменированная необходимость или ничтожная случайность - игра природы?

Несколько слов о внешних оболочках планет и Земли, коль некоторые от меня ждали ответа на вопрос, откуда взялась вода. Более подробно эти вопросы мы будем рассматривать позже, когда будем изучать экологическую геохимию и химию окружающей среды. В гидридной гипотезе строения и химическом составе Земли Ларин аргументирует свою точку зрения с химико-физических позиций исходя из предположения доминирования водорода над другими элементами и характере взаимодействия с металлами и их оксидами. Благодаря последовательному снижению давления и температуры от внутренних к внешним оболочкам сила связи водорода с металлами снижается и благодаря диссипации он устремляется к поверхности, где как сильный восстановитель легко окисляется кислородом, превращаясь в воду, а избыток его уходит в космос.

Все планетологи считают что гидросфера на Земле возникла одновременно с другими оболочками в течении первых 100млн лет до 90% от современного ее объема, а полное добирание произошло 2,5 млрд. лет назад. Отсутствие воды на других планетах вызвано или недостаточной силой гравитации или высокой температурой. В этом смысле Земля уникальна, здесь эти параметры оказались вполне соразмерными.

3. Образование химических элементов

В звездной иерархии наше Солнце всего лишь желтый карлик. Но для нас он внушителен. Диаметр 1 392 000км, что в 109 раз больше земного, а вот по массе разница и того больше при средней плотности 1,41, а в ядре 100. Все планеты вместе взятые имеют массу всего 0,14% нашего светила. Источник энергии ядерные реакции в ядре по типу протон-протон, при которой водород превращается в гелий при температуре 14 млн град. При образовании одного ядра гелия выделяется огромная энергия - 600млрд калорий, которой достаточно, чтобы растопить куб льда со стороной 200м. т.е 8000 т льда (Земле от этого достается 2 кал мин/см2 (Солнечная постоянная). В более массивных звездах эти реакции идут по более сложному так называемому углеродному циклу с образованием более сложных элементов вплоть до железа. Другие, еще более тяжелые элементы рождаются при еще более энергичных процессах - при вспышках сверхновых звезд. Именно эти вспышки есть выброс огромных масс вещества, содержащего в том числе и тяжелые элементы (сложнее водорода и гелия). Предполагается, что при остывании его в космическом пространстве это вещество превращалось в различные соединения или минеральные фазы, которые обнаруживаются теперь в метеоритах. Заметную долю исходного вещества, в качестве основного строительного материала внутренних планет Солнечной системы составляли хондры - раскристаллизованные сферические капли силикатного вещества - оксидов кремния и магния, состоящие из оливина и пироксенов, которые сейчас обнаруживаются в каменных метеоритах. Аккреция - спонтанное укрупнение этих частиц имело лавинный характер (смоделировано на ЭВМ) и основной набор массы (до 99%) планет происходил всего за 20 000 лет. Соударения частиц и гравитационное уплотнение привело к расплавлению протопланет и расслоению на оболочки - сферы, различающиеся плотностью, что снизило свободную энергию и сделало их более устойчивыми структурами с тенденцией дальнейшего остывания. И это была граница во времени между космической и геологической стадиями развития планет, длительность последней оказалась своя у каждой из планет в зависимости от их масс и состава.