Виникнення Землі

1.Содержание:

2.

Введение

.

3.Образование мантії і ядра Земли.

4. Диференціація мантії й освіту кори, гідросфери і атмосферы.

5.Вывод.

6.Список використаної литературы.

2.

Введение

.

Нині у науці склалося таке становище, що розробка космогонічної теорії та реставрація ранню історію Сонячної системи можуть здійснюватися переважно індуктивним шляхом, заснованим на порівнянні й узагальненні отриманих цілком недавно емпіричних даних із матеріалу метеоритів, планет і Місяця. Оскільки про будову атомів й поведінці їх сполук що за різних термодинамічних умовах нам став відомий дуже багато, йдеться про складі космічних тіл отримано цілком достовірні і точні дані, те решіння проблеми походження нашої планети поставлено на міцну хімічну основу, якому було позбавлені колишні космогонічні побудови. Слід найближчим часом очікувати, розв’язати проблеми космогонії Сонячної системи загалом і проблеми походження нашої Землі зокрема досягне великих успіхів на атомно-молекулярному рівні, аналогічно, як у тому ж рівні генетичні проблеми сучасної біології блискуче вирішуються на наших глазах.

Ізотопні співвідношення елементів в метеоритному і земній речовині, даних про хімічний склад і структурі метеоритів видаються нас увесь краще як історичні документи, якими то, можливо прочитана рання історія Сонячної системи та відновлено умови народження нашої планети — Землі. У цьому світлі сучасних даних космохімії і геохімії, астрофізики і геофізики вже можна укласти, що речовина Землі у минулому, щодо незадовго до освіти планет, перебував у стані плазми і шлях становлення нашої планети був із еволюцією речовини від плазмового стану до освіти хімічних сполук, металевих фаз та інших форм існування твердих рідких і газоподібних тіл (при щодо невисоких температурах). При сучасний стан науки фізико-хімічний підхід мирно вирішити проблеми космогонії Сонячної системи є абсолютно неминучим. Тому давно відомі механічні особливості Сонячної системи, яким класичні космогонічні гіпотези приділяли головну увагу, би мало бути витлумачені у зв’язку з фізико-хімічними процесами у ранній історії Сонячної системи. Останні досягнення у галузі хімічного вивчення окремих тіл цією системою дозволяють нас геть по-новому підходитимемо реставрації історії речовини Землі та цій основі відновити рамки умов, у яких відбувалося народження нашого планети — становлення її хімічного складу процес формування оболочечной структуры.

3.Образование мантії і ядра Земли.

Освіта Землі пов’язані з акумуляцією речовини, що був переважно высокотемпературными конденсатами сонячного газу. Проте щодо способу акумуляції існують різні думки. У процесі формування Землі можна припустити три варіанта аккумуляции.

1. Гомогенна акумуляція, знайшла найповнішу розробку в гіпотезі Про. Ю. Шмідта та його прибічників. Вона призвела до утворення квазиоднородной первинної Землі. Модель спочатку гомогенної за складом і будовою Землі користувалася найширшим визнанням. Відповідно до цієї моделі, сучасне зональний будова Землі виникло лише ході еволюції, що призвело до разогревании, частковому плавленні і диференціації земного речовини під впливом радіоактивних джерел тепла.

2. Гетерогенна акумуляція, котра визначила від початку головними рисами будівлі земної кулі — його присутність серед первинної Землі металевого ядра і мантії. При акумуляції металевих частинок спочатку виникло ядро, потім нею осіли пізніші конденсаты як силікатів, утворивши потужну мантію первинної планеты.

Ідею у тому, що земля початку акумулюватися спочатку з металевих частинок, висловили У. Латимер, Еге. У. Соботович, П. Гарріс і Д. Тозер, а пізніше Еге. Орован. Надалі її підтримали До. Таркяном і З. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовим. По До. Таркяну і З. Кларку, первинна Земля акумулювалася у тому послідовності, у якій відбувалася конденсація речовин з первинної сонячної туманності. Крайній варіант гетерогенної акумуляції Землі був нещодавно запропонований Д. Л. Андерсоном і Т. Ханксом, хто вважає, що внутрішнє ядро Землі набуло свій склад з допомогою ранніх дометаллических конденсатів, зовнішнє ядро виник із металевої фракції і сірки, а мантия—за рахунок акумуляції силікатної фракції. На заключних стадіях акумуляції сталося осадження матеріалу типу углистых хондритов (С1), включаючи гидратированные силікати, леткі і органічні соединения.

3. Частково гетерогенна акумуляція без різких перерв у складі матеріалів, будують земну кулю. І тут найбільш різка різниця у складі повинна була лише між центральними частинами Землі та поверхневими верствами первинної мантії. За такої способі акумуляції спочатку був pезких кордонів між ядром і мантією, подібно сучасному стану. Кордони ці встановилися згодом у ході подальшої хімічної диференціації, що з нагріванням. Ядро Землі виникла результаті комбінації процесів гетерогенної акреції і наступного хімічної диференціації. Выплавление железо-сернистых мас і видалення їх із різних горизонтів первинної Землі шляхом стекания у центральні Одеській області було процесом, протекавшим асиметрично й надалі визначив асиметричний характер кори і верхньої мантии.

Нині нам досить обгрунтованою представляється ідея у тому, що походження земного ядра пов’язані з походженням (способом формування) самої Землі та Сонячної системи. Хімічна еволюція протопланетной туманності, розглянута нами вище, при остиганні газу сонячного складу визначила та обставина, що у районі акумуляції речовини Землі виникли хімічні сполуки, які визначили хімічний склад нашої планети загалом. Початок формування Землі цілком імовірно, було з первинної акумуляцією саме металевих частинок. На користь цього ми можемо привести таку аргументацию.

У процесі акумуляції планет железоникелевые частки мали явну перевагу щодо об'єднання перед частинками іншого складу. Якщо акумуляція спочатку відбувалася при високих температур, то краплі заліза при зіткненні друг з одним легко зливалися в тіла компактній маси, створюючи зародки планет. Якщо агломерація повинна була при низьких температурах, то металеві частки з огляду на пластичності і хорошою теплопровідності об'єднувалися у зіткненні. І тут відбувалося поглинання кінетичною енергії. Отже могли відбуватися процеси, як «гарячої зварювання», і «холодної зварювання» залежно від температури частинок. Зауважимо, що деякі залізних метеоритах виявлено ознаки об'єднання металу у результаті соударений.

Нарешті при високих температурах нижче точки Кюрі (1043 До для Fe, 598 До для FeS) частки заліза і троилита могли легко намагнітіться великому магнітному полі первинного Сонця верб подальшому об'єднувалися силами магнітного тяжіння. Оскільки сили магнітного тяжіння для дрібних металевих частинок набагато порядків перевершують гравітаційні сили, залежать від мас, акумуляція частинок никелистого заліза з охлаждающейся сонячної туманності могла розпочатися за температур нижче 1000 До як великих згущень й у багаторазово була ефективної, ніж акумуляція силікатних частинок за інших рівних умов. По Ф. Хойлу і М. Викрамасингу, коли відбувалося безупинне стиснення Сонця, напруженість магнітного поля могла досягати високих значень, на два порядку перевищують сучасну. У умовах акумуляція ферромагнитных матеріалів типу железоникелевых частинок і троилита має плинути найефективніше, створюючи зародки планет земного типу. Оскільки точка Кюрі для заліза і железоникелевых сплавів розташовано неподалік 1000 До, магнітні сили, як чинник акумуляції можуть вступити у взаємодія набагато раніше початку окислення заліза. П. Гарріс і Д. Тозер вирахували поперечне перетин захоплення взаємно намагниченных частинок, яка була в 2−104 разів більше їхньої реальної поперечного перерізу. У той самий короткий час вони показали, що магнітне взаємодія залежить від розмірів частинок. Воно досить опосередкований для часток отримують за діаметром менш 10—5 див, але за розмірах частинок 10−4 див агрегація настає досить швидко. При високих температур (понад 1273 До) в газопылевом хмарі все частки могли співіснувати незалежно до падіння температури нижче точки Кюрі. Але у падінні температури нижче точки Кюрі магнітне взаємодія железоникелевых частинок ставало вирішальний чинник акумуляції у процесі народження планет.

З сказаного цілком природно випливає висновок, що з найрізноманітніших умовах перетворюється на первинної туманності железоникелевые сплави повинні акумулюватися першими. При досягненні досить великих мас зародки планет надалі могли захоплювати пізніші конденсаты сонячного газу шляхом безпосереднього гравітаційного захвата.

Очевидно, що згадані вище процеси цілком належать до планеті, на яку гетерогенна акумуляція можна вважати цілком неминучою. Ця акумуляція визначила початкову хімічну неоднорідність Землі, її термодинамічну нестійкість, яка згодом визначила перебіг Земли—дифференциацию її матеріалу, що призвело до чіткому відокремленню й відособленню кордони між мантією і ядром, між внутрішнім і зовнішніх ядром…

У цьому світлі викладеного з’ясовується загальну картину народження Землі. Зростання Землі розпочався з об'єднання металевих частинок при високих температурах нижче точки Кюрі. Проте нагрівання початкового металевого тіла внаслідок ударів частинок при акумуляції привела підвищенню температур і, можливо, усунув взаємодія магнітних сил, що було основним. Досягнувши значної маси, первинне металеве ядро—зародыш продовжувало гравітаційний захоплення пізніших конденсатів із довкілля. Аналізуючи цей етап акумуляція стала більш гомогенної, і первинна мантія накопичувалася як потужна оболонка як суміші металевих, силікатних частинок і троилита. У цьому цілком можливо, що у нижніх горизонтах первинної мантії зміст металевих частинок було підвищеним, а верхніх горизонтах вони були відсутні. Отже, початкова мантія по радіусу являла собою неоднорідну суміш металевого і силікатного матеріалу. На пізніх стадіях акумуляції осідали гидратированные силікати і органічні речовини. На завершальних етапах акумуляції Земля шляхом прямого гравітаційного захоплення придбала також певна частина (мабуть, невелику) газів, зокрема Н2О, СО2, ЗІ, NНз, Hg, з первинної туманності через власну притяжения.

З тривалості процесів акумуляції в Сонячну систему порядку п-108 років, що випливає з l29I—129Xe і 244Pu—132−136Xe датування метеоритних зразків, ми можемо припустити, що у більшу частину обсягу планети температури не перевищували точки плавлення її матеріалу. Проте у з адиабатическим стиском, радіоактивним нагріванням віднині збережених і швидко вимерлих радіоактивних ізотопів (244Pu, 247 Cm і 129I) і залишкової теплової енергії від процесу акумуляції вранці епохи існування Землі відбувалося підвищення температур і матеріал планети місцями почав плавитися. Максимальна температура був приурочений до центра з наступним її зниженням до периферії. Плавлення внаслідок радіоактивного нагріву й інших чинників почалося на певних глибинах, де температура перевищила точку плавлення найбільш легкоплавких компонентів при умовах тиску. Якщо склад первинної мантії був суміш силікатної, металевої і сульфидной фаз, то температура плавлення эвтектики Fe—FeS быласамой мінімальної (1260 До) й те водночас вона у меншою мірою від збільшення тиску. Першим і нового речовин могло відбуватися у переважній більшості обсягу первинної мантії. Очевидно, що рідка розплавлена фаза металу з додатком сірки виникала в глибоких надрах планети легше, ніж рідкі розплавлені силікатні массы.

Диференціація гомогенної моделі Землі з плавленням і зануренням рідкого заліза, сформировавшего ядро Землі, мала істотно підняти температуру планети. За повної зануренні заліза температура мала підвищитися на 2270 До, причому у масштабах усієї Землі виділилася б енергія, рівна 15*1030 Дж, за розрахунками Р. Юри—4,78*1030 Дж, а Є. Люстиха—16,7*1030 Дж. Це величезна кількість тепла мало розплавити все наше планету або ж її більшу частину. Проте термінових ознак такого події ми знаходимо. По гетерогенної моделі акумуляції Землі цього відбувалося. Стекание железосернистых мас, що охопила лише нижні горизонти мантії, призвело до порівняно невеличкому виділенню загального тепла. Що стосується оцінки часу нічого очікувати великою помилкою допустити, що освіта сучасного ядра Землі (зовнішнього железосернистого) відбулося інтервалі 4,6−4 млрд. років назад.

Отже, за запропонованою моделі переважна більшість ядра утворилася під час формування Землі з допомогою акумуляції металевих частинок, а наступне выплавление железосернистых мас в нижніх частинах первинної мантії завершило формування всього ядра Землі в целом.

4.Дифференциация мантії й освіту кори, гідросфери і атмосферы.

У цьому світлі сучасних геохімічних і космохимических даних диференціація первинної мантії мала двосторонню спрямованість. З одного боку, відбувалося выплавление найбільш легкоплавких, але важких компонентов—железосернистых мас з опусканням їх до центра через високої густини і низької в’язкості, що призвело до формування зовнішнього ядра. З іншого боку, выплавлялись менш легкоплавкие, але збагачені летючими силікатні фракції, що призвело до утворення базальтовій магми і потім до формування базальтовій кори океанічного типу. Якщо Сталін перший (перший й у хронологічному відношенні) процес призводив би до вилучення з первинної мантії переважно сидерофильных і халькофильных хімічних елементів та його зосередженню у центральному ядрі, то второй—к відцентровій міграції переважно литофильных і атмофильных элементов.

Проте геохімічні властивості елементів залежно від конкретних фізико-хімічних умов можуть змінюватися. Про рівень хімічної диференціації мантії певною мірою можна судити, порівнюючи відносну поширеність деяких елементів верхньої мантії і різних типів хондритов. Приміром, ставлення Ni: Fe у сучасній мантії становить близько 0,03, т. е. воно значно нижчі від, ніж у хондритовых метеоритах, але вище, ніж у метеоритних силикатах. Це можна пояснити тим, що у ранній стадії розвитку Землі більшість нікелю була видалена з мантії шляхом сегрегації сульфіду і металу у ядро. Порівняння відносного поширення шести типових литофильных елементів верхньої мантії Землі зі своїми метеоритним поширенням, за розрахунками Р. Хатчисона, представлено в табл. 1.

З табл. 1 видно, що фракціонування литофильных елементів в мантії Землі відрізняється від такої в хондритовых метеоритах. Спостерігається загальна тенденція зменшення концентрації перших п’яти елементів від углистых хондритов до энстатитовых. Верхня мантія Землі збагатити Al, Mg і Са і збіднена Ti і Сг щодо углистых хондритов. Збіднення верхньої мантії Ti і Сг можна пояснити їх видаленням за часів в ядро як сульфидов. У зв’язку з цим слід зазначити, в якихось дуже відновлених энстатитовых хондритах весь Сг перебуває у добреелите, а 75% Ti—в троилите.

Таблиця 1.

Фракціонування литофильных елементів щодо углистых хондритов.

Элемент.

Верхняямантия,.

вільна от.

Современнаяверхняя.

мантия.

Хондриты.

углистые.

обычные.

энстатитовые.

Si.

1,00.

1,00.

1,00.

1,06.

1,00.

Ti.

0,46.

0,65.

1,00.

0,74.

0,55.

Al.

1,06.

1,05.

1,00.

0,71.

0,55.

Сг.

0,47.

0,58.

1,00.

0,82.

0,77.

Mg.

1,29.

1,23.

1,00.

0,90.

0,74.

Са.

1,13.

1,10.

1,00.

0,67.

0,53.

Умови верхньої мантії були такими відбудовними, як і відбувалося у разі формування энстатитовых хондритов, тому вищу зміст Ti і Сг перебував у окислах, що, природно, пов’язані з формою перебування Fe у верхній мантії. Відомо, що Fe в энстатитовых хондритах не окислено й у металевої фазі присутній Si.

З викладеного випливає дуже мала можливість, щоб легким елементом в ядрі Землі був Si, як і допускається деякими дослідниками. Видалення більше половини Ti і Сг та вчинках значної частки Ni з верхньої мантії в ядро, мабуть, мало місце під час ранньої диференціації земної кулі. Поширеність головних литофильных елементів у верхній мантії подібна до моделлю формування Землі, у якій акумуляція почалося з ядра, де сконцентрувався метал, та був осідав матеріал, близький за складом до звичайних і углистым хондритам, кілька збагаченим залізом. Потім парціальний плавлення викликало певну втрату сидерофильных і халькофильных (і спроби деяких литофильных) елементів в первинної силікатної мантії і надходження в ядро.

Парціальний плавлення силікатного матеріалу мантії, збагаченого летючими, відбувався за межах верхніх горизонтів первинної мантії. Воно почалося пізніше плавлення сульфидного эвтектического матеріалу (сульфід + метал). Оскільки збільшення тиску перешкоджало плавлению силікатного матеріалу великих глибинах значна більшою мірою, ніж плавлению металевих і сульфідних речовин, то оптимальні умови для плавлення силікатних речовин існували на певних критичних глибинах. Як випливає з розрахунків Ф. Берча для хондритовой моделі Землі, плавлення могло відбуватися в інтервалі глибин 100—600 км. Можливе присутність летючих кілька зменшувало ці глибини. У зв’язку з цим слід зазначити, що плавлення почалося межах того шару первинної верхньої мантії, у якому процесі акумуляції з’явився матеріал, близька до углистым хондритам (С1), тобто. Земля придбала гидратированные силікати, леткі компоненти і перші органічні з'єднання перетворені на вигляді складних вуглеводнів, амінокислот і др.

У легкоплавких силікатних фракціях матеріалу первинної, мантії накопичувалися найтиповіші литофильные елементи, що надійшли разом із газами і парами води на поверхню первинної Землі. Більшість силікатів, переважно железомагнезиальных, при відносному завершенні планетарної диференціації утворила потужну мантію планети, а її выплавления дали початок розвитку алюмосиликатной кори, первинних океану та атмосфери, насиченою СОз.

Процес плавлення мантії, який визначив відцентрову міграцію розплавів і розчинів, був гетерогенным. Він відзначається изотопным складом елементів з порід мантійного походження. Виявлено, що у мантії зберігаються ділянки з різними співвідношенням стабільних ізотопів, було неможливе при загальному плавленні і гомогенізації мантії великого масштабу. Дані вимірів ізотопного складу вуглецю із взірців мантійного походження привели Еге. Галімова висновку про існування двох напрямів ізотопних вимірів вуглецю. Вуглець в мантії перебуває у двох різні форми, чи фазах. Ізотопний склад вуглецю цих фаз різний, як і різна хімічна форма перебування, аналогічно, що виявлено в метеоритах. Так, вуглець, розсіяний у кам’яних метеоритах, більш збагачений легким ізотопом (12С), тоді як вуглець, що у графіті і органічному речовині, тяжча (13С). При освіті Землі ці дві форми вуглецю успадкували планетою під час останніх стадіях її аккумуляции.

Еге. Галімов зазначає, що ізотопний склад як вуглецю, а й деяких інші елементи земної кори виявляє разючу подібність з изотопным складом тієї ж елементів углистых хондритов за дуже віддаленому схожість із іншими кам’яними метеоритами. Ці дані, по-перше, підтверджують гетерогенную акумуляцію і те що, що у завершальних її етапах брало участь речовина, аналогічне складу углистых хондритов. По-друге, освіту зон і осередків плавлення в мантії була такою, що його не змогло гомогенизировать ізотопний склад низки хімічних элементов.

Додаткові свідчення на користь гетерогенної акумуляції мантії і його наступної гетерогенної диференціації ми бачимо у цих по изотопному складу Sr і РЬ в вулканічних породах, матеріал яких виник різними горизонтах у самій мантії. Для дослідження ранніх процесів диференціації мантії ми можемо використати ізотопні пари: 238U—206 Pb, 87Rb—87Sr, бо всі чотири елемента геохимически поводяться неоднаково за умов парциального плавлення матеріалу мантії. Серед елементів летючість зростає у такий послідовності: U, Sr.