ПРИРОДА ОСНОВНЫХ ГРАНИЦ И ОБОЛОЧЕК В ЗЕМЛЕ
Граница ядра и мантии
Совокупность основных геофизических данных о нижней мантии и ядре Земли позволяет выделить следующие свойства границы перехода от мантии к ядру.
- 1. Значительное увеличение плотности (~ 70%).
- 2. Значительное уменьшение скорости Р-волн, падение до 0 скорости 5-волн.
- 3. Переход вещества в жидкое состояние.
- 4. Резкое увеличение проводимости.
Последнее обстоятельство говорит о том, что внешнее ядро обладает металлическими свойствами. Металлическое жидкое внешнее ядро Земли обеспечивает, в частности, генерацию магнитного поля Земли. Из тяжелых металлов только железо в металлической фазе составляет значительную часть метеоритов. Поэтому первая гипотеза о природе Земли сводилась к тому, что внешнее ядро состоит из расплавленного железа, мантия — из силикатов в твердой фазе, а граница мантия — ядро является химической границей.
В настоящее время экспериментально получена зависимость плотности железа от давления в диапазоне до нескольких мегабар.
Пересчет давления в глубины позволяет тем самым сравнить распределение плотности железного ядра с реальным распределением. Сравнение показывает, что кривая плотности для железа идет значительно выше, чем кривые плотности в моделях Земли. Сейсмическая функция для железа также не согласуется с модельной. Выход из этого противоречия сторонники гипотезы железного ядра видят в добавлении к железу тех или иных легких элементов. Наиболее подходящими являются Si и S. Плотность сплава железа с этими элементами согласуется с модельными распределениями плотности.
Гипотеза железного ядра сталкивается с трудностями при сопоставлении Земли с другими планетами Солнечной системы. Средняя плотность планет земной группы (кроме Меркурия) — Земли,
Марса и Венеры, а также Луны, приведенная к одинаковому давлению, — тем больше, чем больше радиус планеты. Это означает, что чем крупнее планета, тем выше в ней доля тяжелых элементов (железа). В рамках гипотезы происхождения Солнечной системы из единого газопылевого облака остается неясным такое неравномерное распределение тяжелых элементов по различным планетам.
Гипотеза, объясняющая зависимость средней плотности от размера планеты, была выдвинута В.Н. Лодочниковым (1939) и В. Рамзеем (1949). Согласно этой гипотезе Земля химически однородна, а граница между мантией и ядром обусловлена фазовым переходом силикатного вещества мантии в более плотную жидкую металлическую фазу.
Фазовый переход имеет место при определенном давлении (и температуре), т.е. на вполне определенной глубине (примерно 2900 км для Земли). Следовательно, чем больше радиус планеты, тем большую ее часть занимает тяжелое (плотное) ядро и, значит, тем больше ее средняя плотность.
Если в соответствии с гипотезой Рамзея — Лодочникова считать, что планеты земной группы, сформировавшись из единого газопылевого облака, остались химически однородными, то распределение в них плотности, давления и температуры должны определяться единой зависимостью — уравнением состояния вещества планет вида (5.6).
Если теперь использовать полученную для Земли зависимость р = р(г) для расчета масс других планет земной группы, то оказывается, что для достижения согласия расчетных и реальных значений нужно увеличить «земную» плотность на: 5% — для Венеры, 8% — для Марса, 0% — для Луны. Поскольку точность оценки плотности Земли находится в этих же пределах, предположение о единстве уравнения состояния для планет земной группы можно считать справедливым.
Нанеся на кривую р = р(г) (т.е. на кривую состояния) глубины, на которых давление в Земле равно давлению в центрах планет, обнаружим, что условия для образования ядра с металлическими свойствами (т.е. условия для соответствующего фазового перехода) реализованы помимо Земли только для Венеры. По современным представлениям наличие жидкого проводящего ядра является необходимым условием генерации магнитного поля (подробнее рассмотрим это в гл. 7). Следовательно, отсутствие ядра у Марса (в рамках гипотезы Рамзея — Лодочникова) означает отсутствие у него магнитного поля. Действительно, по современным данным, величина магнитного диполя у Марса в 100 раз меньше, чем у Земли.
Основным аргументом против гипотезы Рамзея — Лодочникова является отсутствие ее экспериментального подтверждения:
в лаборатории не удается получить необходимого уплотнения силикатов. Следует, однако, учесть, что лабораторное нагружение вещества до нескольких мегабар является ударным, т.е. действует очень короткое время (10-6—10-7 с), что не соответствует условиям Земли. Теоретические соображения и лабораторные данные по некоторым материалам, испытывающим похожие фазовые переходы при меньших давлениях, свидетельствуют о том, что длительность нагружения может иметь принципиальное значение, и результаты экспериментов по ударному нагружению могут качественно отличаться от результатов при статических нагрузках. Таким образом, вопрос этот остается открытым, однако большинство исследователей придерживается гипотезы железного ядра Земли.
