Придерживаясь установленной при разделении ФСА закономерности, мы приходим к выводу, что в центре Земли должны находиться сплавы железа с тугоплавкими металлами. К ним относятся: вольфрам, рений, осмий, тантал, молибден. Температура кристаллизации этих элементов при атмосферном давлении находится в пределах
2610 < t < 3410 °С.
Центральную область ядра должны окружать сплавы железа с иридием, ниобием, рутением, гафнием, родием, ванадием и хромом. У данных элементов [107, 108]:
1875 < t < 2442 °С.
Примерно в том же диапазоне располагаются температуры кристаллизации карбидов перечисленных металлов [108, 109], что также позволяет им входить в состав ядра Земли. Во внешнюю оболочку твердого ядра, как это ни странно, попадают карбиды легких металлов — алюминия, бора и бериллия, а также кремния. Температура кристаллизации этих твердых растворов при атмосферном давлении 2150 < t < 2830 °С.
Итак, похоже, что карбиды будут сопровождать основные элементы вплоть до астеносферы.
Жидкая оболочка твердого ядра состоит, по-видимому, из сплава железа с никелем (1453 °С), кобальтом (1493 °С) и титаном (1668 °С). Здесь же находится карбид железа (1650 °С)*.
Общее содержание сплавов, включая карбиды, в массе железного ядра должно быть сравнительно невысоким. Безусловно, значительное давление в недрах Земли изменит кристаллическую решетку сплавов и повысит температуру их плавления [110]. Но соотношение между температурами кристаллизации сохранится, и потому рассмотренная слоевая структура не изменится.
Закончив с размещением железа и его сплавов, перейдем к декантации следующих наиболее распространенных элементов — кремния, магния, кальция и алюминия. Большая часть мантии Земли, вплоть до астеносферы, сложена, по всей вероятности, из кремния (1415 °С) и его сплавов. Причем, как полагают, среди сплавов преобладают магниевые.
В дальнейшем в скобках будут указываться температуры кристаллизации чистых элементов.
На ранней стадии формирования слоистой структуры Земли еще до периода конденсации водяного пара из атмосферы эти же компоненты составляли основную часть литосферы. Более легкий сплав кремния с калием вошел в состав фундамента материков. Мощные течения вынесли в их поверхностные слои легкоплавкие элементы и их сплавы. Так, зону над фундаментом занял кальций (842—852 °С), затем над ним — алюминий (660 °С), а еще выше — магний (650 °С).
Такие соединения, как нитриды и сульфиды, должны расположиться, судя по температурам их кристаллизации, более или менее равномерно в толще Земли, играя роль включений в слоях основных элементов [108].
Нас, конечно, крайне интересует поведение свободного углерода в данной ситуации. Дело в том, что углерод, обладая высокой температурой кристаллизации (3500 °С), одним из первых должен был бы появиться в ядре Земли. Но, с другой стороны, низкая плотность (1,75 кг/дм3) [111] неизбежно привела бы к его вытеснению в поверхностные слои окружающими более тяжелыми элементами. Поскольку мы не видим в литосфере крупных месторождений чистого “всплывшего” углерода, кроме незначительных алмазных и графитовых, то можно предположить, что скорость кристаллизации компонентов земных слоев опережала скорость декантации углерода. В таком случае углерод, не вошедший в состав карбидов, оказался “запечатанным” в толще Земли, и его содержание должно нарастать кее центру. По мере протекания подземных реакций углерод сосредотачивался в месторождениях известняка и доломита, а в дальнейшем с развитием жизни на Земле — в залежах угля и нефти.
Здесь мы обратили внимание на кристаллизацию и стратификацию лишь тех элементов, содержание которых в земных породах превышает 2-3 % [112]. Вполне объяснимое исключение было сделано лишь для углерода.
Размещение “малых” элементов в слоистой структуре имеет свои особенности. Дело в том, что эти элементы, растворяясь в металлах и металлоидах, образуют довольно прочные химические соединения [113, 114]. Возникающие на атомном и молекулярном уровнях электромагнитные силы препятствовали декантации этих элементов в центробежном поле Земли. По этой же причине часть железа оказалась в литосфере.
Преобладающая роль в сегодняшнем распределении соединений “малых” элементов в земной коре принадлежит вулканам, ледникам, потокам воды и воздуха, циркулировавшим в литосфере в более поздние этапы развития планеты, а также живой природе.
Но остался еще один крайне заметный элемент, присутствие которого мы видим в 95 % жизненно важных для нас соединений. Речь идет о водороде.
Есть достаточно оснований считать, что нижние слои астеносферы являются границей между кислородными и бескислородными соединениями кремния, к которым мы относим также ФСА. Именно здесь в слое малой толщины проходит основная реакция взаимодействия воды с кремниевыми сплавами. На каждый килограмм израсходованного кремния выделяется 1,4—1,6 м3 водорода. Основная его масса в чистом виде или соединившись с углеродом или серой диффундирует к поверхности Земли [95, 115]. Но незначительная доля проникает к центру Земли. Дело в том, что протоны способны довольно легко внедряться в кристаллическую решетку металлов и металлоидов, образуя с ними твердые растворы или газообразные гидриды. Как правило, в дислокациях атомарный водород рекомбинирует в молекулярный, который, в свою очередь, обладает также высокой проникающей способностью [116—121]. В связи с этим можно полагать, что присутствие водорода будет наблюдаться повсеместно от зоны реакции и до ядра Земли, но наибольшая его концентрация должна быть в непосредственной близости от астеносферы.
Впрочем, не исключено, что жидкая часть ядра состоит из гидридов, образованных с участием реликтового водорода, доставшегося Земле непосредственно от оболочки Протосолнца.
Как видим, наше исследование, выполненное исходя из чисто термодинамических предпосылок, в итоге подтверждает удивительную прозорливость Вернадского В.И. в части распределения веществ в недрах Земли.
Осветим несколько фрагментов истории атмосферы.
Формирование океана привело к изменению состава атмосферы. Над планетой начались непрерывные дожди, сопровождавшиеся грозовыми разрядами. Под воздействием молний происходил электролиз водяного пара. Разложение воды на кислород и водород наблюдалось также в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовых лучей Солнца. Образующийся водород как наиболее легкий газ устремлялся вверх и затем уходил в космос. В результате в воздухе постепенно накапливался кислород. Таким способом еще задолго до начала фотосинтеза растений в атмосфере образовалось около 25 % существующего в настоящее время кислорода [122].
С появлением первых организмов деятельное участие в регулировании содержания кислорода и углекислого газа в оболочке планеты стала принимать живая природа [123].
Итак, нам удалось в основных чертах раскрыть закономерности размещения элементов в недрах Земли. Последовательность дальнейших событий определялась тем, насколько быстро вода океана, проникающая в глубины за счет естественной циркуляции, достигала того или иного слоя элементов. Здесь следует подчеркнуть, что породообразующие сплавы при своем окислении реагировали именно с водой, а не с растворенным в ней кислородом или кислородом воздуха [122].
Формирование полезных для нас месторождений ископаемых началось с образования залежей оксидов магния, магнезита, доломита и других магниевых минералов. При дальнейшем продвижении фронта реакции в глубь Земли появились месторождения бокситов, нефелинов, глины и каолины. За ними в меловой период возникли залежи известняка, мрамора, мела и гипса. При оценке рудообразования важно учитывать термодинамические соотношения, установленные для природных систем [124—127].
Но нас в данном случае интересует не распределение полезных ископаемых, а количество тепла, выделяемое подземными реакциями. В связи с этим основное внимание далее уделим реакции взаимодействия ферро- силикоалюминия с водой. Как уже говорилось, сплав ФСА являлся основным породообразующим материалом.
В качестве эталона для сравнения примем реакцию активированного алюминия с водой. Кроме оценки общего количества выделяемого тепла, нам необходимо найти скорость протекания перечисленных выше реакций. Это позволит рассчитать периоды и мощность землетрясений, что, в свою очередь, даст возможность обеспечить безопасность эксплуатации геотермических электростанций.
В дальнейшем при рассмотрении химических процессов будем руководствоваться четко установленными к настоящему времени положениями. В частности, на общее выделение или поглощение энергии при той или иной химической реакции более или менее существенное влияние оказывает переход реагирующих веществ из одного агрегатного состояния в другое, так как все подобные переходы связаны с поглощением или выделением тепла [128].
Анализ вулканических газов показывает, что до 80 % их состава занимает водяной пар [82]. Отсюда следует, что большая часть тепла подземных реакций расходуется на испарение воды. Фазовое превращение одного из реагирующих компонентов, несомненно, ограничивает рост температуры системы, что, в свою очередь, приводит к определенному пределу в увеличении скорости реакции.
Как видим, свое дальнейшее исследование нам нужно начинать с изучения испарительного процесса.
ВЫВОДЫ
Подведем итог рассмотрению материала данного раздела.
Как известно, масса железного ядра составляет 30 % массы Земли, а Мирового океана — лишь 0,02 %.
Оценка вероятности реакции железа с водой показала, что ядро и океан могли образоваться одновременно лишь при условии конденсации воды из облака водяного пара, окружающего расплавленную планету. Таким образом, земной океан сформировался по тому же принципу, что и океаны жидкого водорода на Юпитере и Сатурне.
На расплавленной Земле, как и сейчас, циркулировали потоки, переносящие тепло из экваториальных зон к полюсам. Эти потоки представляли собой перемещающуюся пульпу, состоящую из сплавов металлов и металлоидов с включениями их оксидов. Материки, появившиеся в период кристаллизации Земли, запечатлели в своей форме застывшую структуру древних течений. Большинство континентов имеет форму клиньев, вытянутых вдоль меридианов. Направление острой части клиньев к югу и их S-образная форма свидетельствуют о том, что действовавшие в оболочке Земли потоки обеспечивали сток энергии в космос с Южного полюса в большем масштабе, чем с Северного. Меридиональное расположение материков оставалось неизменным в течение всей истории развития Земли.
Одновременно с “выращиванием” материков циркуляция потоков обеспечивала фракционирование исходных сплавов, что привело к сосредоточению в материках соединений наиболее легких элементов. Опытным путем установлено, что разделение основного породообразующего сплава железа, алюминия и кремния (ферросиликоалюминия, или кратко ФСА) произошло под воздействием центробежного поля Земли с одновременной кристаллизацией составляющих его компонентов.
Таким же способом по температурам кристаллизации элементов и их сплавов расслаивалась вся остывающая планета. В результате тугоплавкие металлы и их сплавы оказались в центре, а легкоплавкие поднялись вверх и сформировали оболочку Земли.
Наиболее вероятным процессом, протекающим в недрах, является реакция взаимодействия сплава ФСАс водой. Анализ вулканических газов показывает, что большая часть тепла предполагаемой реакции расходуется на парообразование.
