ГЛАВА 2
ПЕРЕХОД ЗЕМЛИ ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ
Современные представления о состоянии планеты выделяют литосферу — наружную зону, включающую в себя кору и верхнюю часть мантии приблизительно до глубины 70 км. Литосфера расколота примерно на 10 больших плит. Под жесткой литосферой расположен слой повышенной текучести — астеносфера. Из-за малой вязкости астеносферы литосферные плиты плавают в “астеносферном океане”.
Оболочечная структура Земли, как утверждают составители модели, является следствием дифференциации ее вещества под действием гравитационного поля в условиях разогрева недр. Под чехлом метаморфических и осадочных пород, имеющим переменную мощность, расположена континентальная кора, состоящая из двух главных слоев: гранитного и базальтового. Океаническая кора имеет базальтовый состав, и вся мантия состоит из ультрабазитов. Основными составляющими базальта и гранитов являются оксиды алюминия, кремния, магния, кальция и железа. Кроме того, у гранитов по сравнению с базальтами наблюдается повышенное содержание оксидов калия.
Внешнее ядро (30 % массы Земли) находится в жидком состоянии и представляет собой смесь серы (12 %) и железа (88 %). Внутренне ядро (1,7 % массы Земли) — твердое и состоит из железо-никелевого сплава (20 % Ni, 80 % Fe). Полагают, что основную часть тепла Земля получает в своих недрах за счет радиоактивного распада урана, тория и калия. Разогрев планеты мог также быть усилен теплотой, аккумулированной при образовании планеты, а также выделившейся при последующей гравитационной дифференциации вещества на силикатную мантию и железное ядро (рис. 18).
В результате гравитационной дифференциации вещества в недрах Земли и его дегазации возникли также гидросфера и атмосфера [78-85].
Рис. 18. Схематический разрез через континентальную и океаническую земную кору
Исследуем известную модель строения Земли на предмет ее соответствия установленным нами термодинамическим ограничениям. В частности, проверим, возможно ли перед отвердеванием планеты встречное движение потоков железа с одной стороны и воды с оксидами алюминия и кремния с другой.
ФОРМИРОВАНИЕ ЛИТО- И ГИДРОСФЕРЫ
Итак, под воздействием гравитационного поля железо стремится опуститься к центру разогретой Земли, а более легкие оксиды и вода — подняться к ее поверхности. Напомним, что масса воды в Мировом океане составляет всего лишь 0,02 % массы Земли, в то время как масса сплавов железа, сосредоточенная в ядре, превышает 30 % ее массы. Вряд ли ручейкам поднимающейся вверх воды удалось избежать роковой встречи с мощными потоками жидкого железа, стремящимися к центру Земли. Очевидно, что контакт между этими потоками неизбежен.
Проследим, к чему это приведет. При изобарно-изотермических условиях возможность химических и фазовых превращений в закрытой системе* определяется уравнением
(II.1)
* Система состоит из двух подсистем, открытых друг для друга.
На рис. 19 даны расчетные значения ΔGi0 для двух типов реакций [86]
3Fe + 4Н2О (вода) = Fe3O4 + 4Н2Т, (II.2)
3Fe + 4Н2О (пар) = Fe3O4 + 4Н2Т. (II.3)
Рис. 19. Зависимость изменения осредненной энергии Гиббса от температуры при взаимодействии с водой и водяным паром
1 - Al; 2 - Si; 3 - Fe.
Здесь же приведены данные по взаимодействию алюминия и кремния с водой и водяным паром.
В расчетах использованы табулированные значения величин ΔΗ и ΔS°, представленные в справочной литературе [87]. Отрицательные значения изобарно-изотермического потенциала свидетельствуют о высокой вероятности рассматриваемых реакций и, в частности, железа с водой.
Следовательно, сегодняшняя модель образования океана путем “вытапливания” воды из земных недр не укладывается в формат нашего дальнейшего исследования, и мы вынуждены с ней распрощаться. В таком случае нам остается предположить, что вода поступила на поверхность Земли из ее атмосферы. Впрочем, высказанная идея не нова, поскольку еще в начале прошлого века она была широко распространена среди отечественных ученых [16].
Подкрепить наше предположение позволяет сравнение протоатмосферы Земли с протоатмосферами ближайших планет, например, Юпитера и Сатурна. Обе последние планеты являются водородо-гелиевыми. По массе твердое ядро Юпитера составляет 3—4 %, а ядро Сатурна — 26—28 % от полной массы.
Теперь нам нужно объяснить, как согласно известной теории столь значительные жидкие массы планет смогли “вытопиться” из ничтожно малых ядер. Практически обсуждаемый здесь процесс относится к категории маловероятных. Отсюда следует вывод, что облака газов и, возможно, вещество протоядер возникли изначально в виде сгустков материи, отделившихся при взрыве протозвезды. Предполагают, что при формировании планет вначале из конденсата образовались ядра, а затем на возникшую твердую поверхность происходила аккреция газов [88, 89].
Совершенно очевидно, что если ядра Юпитера и Сатурна сумели удержать возле своей поверхности столь массивные газовые оболочки, то гравитационному полю нашей планеты не составляло особого труда обеспечить притяжение слоя водяного пара, масса которого к тому же не превышала 0,02 % от ее полной массы.
Далее, известная теория не в состоянии объяснить, почему на Земле возникли материки. Между тем внешний облик планеты служит основой для расшифровки всей ее предыдущей истории.
Вновь обратимся к энергетическим преобразованиям, сопровождавшим образование Земли. Можно не сомневаться в том, что приток лучистой энергии от ближайшей звезды и ее сток в космос послужили главной причиной появления мощных течений в оболочке жидкой Земли. Само образование материков, в очертаниях которых мы видим застывшую структуру древних потоков, подтверждает справедливость данного предположения. Вместе с тем, нет никакой гарантии в том, что в среде глинозема, кремнезема и железняка, вязкость которых в расплавленном состоянии на несколько порядков выше вязкости воды [90, 91], могли возникнуть столь мощные течения. Вряд ли той механической энергии, что вырабатывалась Землей как тепловым двигателем, хватило бы для проталкивания высоковязких потоков на тысячи километров с экватора к полюсам и обратно.
Скорее всего, вязкость компонентов жидкой Земли лишь немногим отличалась от вязкости воды. Если допустить ее трех- или четырехкратное превышение, то эта величина совпадает со значением вязкости сплава ферросиликоалюминия (ФСА) [92-94].
Итак, мы установили, что на определенном этапе своей эволюции Земля состояла в основном из сплава железа, алюминия и кремния. Судя по всему, наш вывод не так уж далек от истины. В самом деле, если уж мы в первичных условиях предоставили железу право не взаимодействовать с водой, то, согласитесь, было бы не совсем справедливо по отношению к алюминию и кремнию лишать их такой же возможности.
Температура жидкого ФСА находится в пределах 1600—1700 °С. Сомнительно, чтобы при атмосферном давлении и такой высокой температуре жидкая вода могла существовать в верхних слоях Земли. Если же всю массу океанской воды испарить, то образовавшийся слой пара поднимется ввысь на многие сотни километров, а давление на поверхность Земли возрастет до нескольких десятков атмосфер. В этих условиях пары сплава ФСА, несмотря на разделительный слой восстановительных газов, будут взаимодействовать с водяным паром, и над Землей разрядятся дожди из капель оксидов алюминия, кремния и железа.
Таким образом, в поверхностных слоях Земли длительное время циркулировали потоки пульпы, состоящей из сплава ФСА и его оксидов. Впрочем, химическое сродство алюминия и кремния к кислороду значительно выше, чем у железа (рис. 19). Поэтому большая часть оксидов железа восстанавливалась алюминием и кремнием до чистого железа. Именно эти сплавы и отчасти их оксиды послужили основным материалом для намыва материков.
Но еще долго раскаленное ложе Мирового океана оставалось пустым, пока снижение температуры и давления атмосферы не привело к конденсации водяного пара. Первые потоки воды двигались в остывающее ложе океана с полюсов Земли. Сам процесс формирования океана занял примерно 500 млн. лет [95]. Древний океан ровным слоем покрывал как низменные, так и возвышенные участки Земли, включая материки. Но затем, по мере взаимодействия алюминия, железа и кремния с водой, вырастали горные хребты. Постепенно континенты освобождались от воды. Этот процесс продолжается и сейчас, хотя фронт реакции опустился уже на глубину нескольких десятков километров.
В пользу развиваемой здесь теории говорит наблюдаемое соотношение между числом вулканов на суше и в океане. Кажется вполне логичным утверждать, что вероятность реакции сплава ФСА с водой в недрах Земли под океаном значительно выше, чем под материками, по той простой причине, что в первом случае расстояние от воды до зоны реакции значительно меньше, чем во втором. Действительно, мы видим, что в океане существует более 10 тысяч вулканов, а на суше проявляют активность лишь 817. Причем последние расположены, как правило, на островах или полуостровах, т.е. вблизи морей и океанов [96].
В результате реакции алюминия, кремния и железа с водой образуются оксиды этих элементов и водород. Именно из кремнезема, глинозема и железняка состоит основная часть литосферы.
Так, В.И. Вернадский полагал, что до глубины 25 км и больше алюмосиликаты и силикаты являются, несомненно, преобладающими, строящими земную кору минералами.
Свойства вещества этой части планеты, помимо кислорода, определяются, прежде всего, свойствами двух элементов — кремния (Si) и алюминия (Al). Эти элементы составляют в среднем больше трети массы земной коры, заключающей по весу 26,0 % Si и 7,45 % Al, всего 33,45 %.
По распространенности металлов в земной коре следующие пять металлов занимают первое место: Fe, Ca, Na, Mg, К. Их общее содержание по весу в земной коре (до 20 км) равняется 14,55 %. Все остальные металлы не дают и 0,4 % по весу ее вещества. Особняком среди этих пяти элементов стоит железо, так как для него значительная часть атомов наблюдается вне связи с кислородом, а другая, являясь аналогом глинозема, занимает особое положение в кремнеземно-глиноземных кристаллохимических структурах (в ядре) [97].
В последних своих работах Вернадский высказывал следующую мысль: “С глубиной кислород быстро сходит на нет, и, по-видимому, растет количество водорода. В то же самое время температура и давление повышаются. Все это может приводить к сохранению в этих глубинах водородистых соединений. Есть указание на общий процесс с глубиной: замену СО2 углеводородами. Именно для метана исключительная связь с жизнью сомнительна, так как этот легкий газ имеет свойства, напоминающие водород” [98].
Примерно к такому же выводу можно прийти, сравнивая химический состав атмосфер и распределение массы вещества среди планет Солнечной системы. Так, мы видим, что основная масса выброшенного в космос вещества сосредоточена в планетах-гигантах Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне. В свою очередь, мощные атмосферы и оболочки этих планет состоят, главным образом, из водорода и гелия. Следовательно, в оболочке Протосолнца преобладала восстановительная среда. Отсюда можно сделать вывод, что большинство планет земной группы сложено из чистых элементов и их гидридов.
Очевидно также, что основная масса кислорода была синтезирована на заключительной стадии взрыва, когда давление в ядре Протосолнца резко повысилось. Последнее обстоятельство привело к тому, что в верхних слоях планет земной группы и в их атмосферах появились оксиды различных элементов.
В свете полученных знаний продолжим детализацию модели строения Земли.
