Образование слоистой структуры Земли

Слоистая структура Земли сформировалась в результате внутреннего перераспределения вещества, под действием гравитационных сил, таким образом более тяжелые, насыщенные железом соединения погружались в глубь планеты, в конечном счете сформировав ядро.

Гравитационная энергия выделилась при перераспределении вещества внутри Земли в процессе ее эволюции. При опускании атомов железа в земном поле тяготения должна выделяться потенциальная энергия.

Проще всего предположить, что образование слоистой структуры земли произошло при формировании Земли из сталкивающихся и слипающихся планетезималей: сначала объединились те из них, которые состояли в основном из железа, затем преимущественно силикатные, соответствующие современной мантии, а их в конечном счете окружало вещество коры. Согласно этой гипотезе, известной под названием гетерогенная аккреционная модель, процесс образования Земли имел несколько стадий, в каждой из которых происходило приращение вещества иного состава. Эта гипотеза крайне прямолинейно решает проблему и не ставит вопроса об образовании слоистой структуры после формирования планеты. Однако невозможно разумно объяснить аккрецию сначала железа и других металлов, а затем силикатов.

Поскольку планетезимали образовались фактически одновременно вследствие неравновесности примитивной Солнечной туманности, которая была достаточно хорошо гомогенезирована, то их состав следует считать до некоторой степени однородным. Следовательно, разумнее полагать, что формирование Земли от начала до конца происходило путем аккреции более или менее однородных планетезималей. Эта идея лежит в основе гипотезы гомогенной аккреции, согласно которой только что образованная Земля состояла в основном из силикатов и этим была похожа на метеориты.

В соответствии с гипотезой аккреции предположим, что состав новообразованного земного шара был фактически однородным от центра до поверхности. Наша задача – объяснить, на каком этапе развития и в силу каких процессов возникла современная слоистая структура, включающая ядро, мантию и кору. Железное ядро не могло обособиться в более или менее гомогенной Земле, если температура в ней не была достаточно высокой и силикаты не находились в расплавленном состоянии. Таким образом, вопрос о времени отделения ядра сводится к обсуждению эволюции Земли, в частности к выяснению того, когда температура большей части планеты стала близкой к точке плавления.

Наиболее важный фактор, определяющий термическую историю Земли, – это источник тепла. Особенно важными из них являются следующие: 1) гравитационная энергия, возникающая при аккреции Земли; 2) энергия, выделяемая при перераспределении материала внутри Земли, и 3) энергия радиоактивного распада элементов.

Кроме того, было установлено, что по величине эти три вида энергии примерно равны, причем на ранних стадиях развития Земли главную роль играл первый фактор, в то время как в дальнейшей истории основное значение приобретает энергия радиоактивного распада. Как только начинает формироваться ядро, выделение гравитационной энергии, вызванное опусканием тяжелых металлов, порождает повышение температуры, которая ускоряет аккрецию ядра, – таким образом возникает обратная связь. Поэтому можно заключить, что образование ядра происходило на самых ранних стадиях эволюции Земли и завершилось достаточно быстро.

Планетезимали, игравшие роль главных составных элементов в процессе формирования Земли, более или менее однородны, по крайней мере, в отношении нелетучих компонентов, и близки к примитивным метеоритам типа углистых хондритов. Все минералы хондритов представляют собой кристаллы в несколько миллиметров и меньше, значит, Земля после аккреции тоже состояла из таких мелких кристаллов. Таким образом, возникает вопрос о том, как эти мелкие зерна минералов менее одного миллиметра смогли образовать крупнометаллическое ядро радиусом 3500 км. Мы далеки от окончательного решения этой проблемы, можем предложить только следующую модель.

Когда масса Земли составила одну шестую от современной, температура поверхности планеты достигла точки плавления силикатов и ее внешний слой начал плавиться. По мере наращивания Земли температура внешнего слоя продолжала повышаться. Тем временем железо в верхней части обособлялось от расплавленных силикатов и опускалось вниз, но не достигало центра Земли, так как внешние слои были горячее, чем внутренние, и опускание железа происходило относительно быстрее у поверхности Земли, чем в недрах, где с падением температуры возрастала вязкость силикатов. В конце концов железо сконцентрировалось вокруг относительно низкотемпературной области в центре Земли. Однако, поскольку тяжелый железный слой находился выше легкого силиката, возникла гравитационная неравновесность, в результате которой происходила инверсия этих слоев – силикаты оказывались вокруг образованного в центре железного ядра.

Так выглядит модель образования ядра в первоначально однородной Земле. Несмотря на то, что основная предпосылка этой гипотезы – аккреция гомогенной планеты – действительно верна, некоторые исследователи подвергают сомнению идею формирования ядра путем обособления железной фазы от силикатов.

В веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп ¹⁸²Hf, который с периодом полураспада 9 миллионов лет превращается в изотоп ¹⁸²W. Гафний является литофильным элементом, то есть при наличии выбора предпочтительно концентрируется в силикатной фазе, а вольфрам — сидерофильный элемент, и предпочитает концентрироваться в металлической фазе. Отношение гафний/вольфрам менялось при образовании ядра, поскольку вольфрам предпочтительно перераспределяется в металлы, а гафний в силикаты.

Если ядро образовалось через время большее, чем время полураспада ¹⁸²Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в ¹⁸²W, и во время отделения ядра этот изотоп сконцентрировался бы в ядре, а силикатная часть Земли была бы им значительно обеднена.

Если ядро образовалось быстрее, чем распался ¹⁸²Hf, то распад гафния происходил бы в силикатной части Земли и ¹⁸²W остался в ней.

Из анализа не фракционированных хондритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.

Силикатная Земля имеет¹⁸²W относительно более высокое по сравнению с хондритами, представляющими средний состав солнечной системы. Поэтому часть силикатной Земли (высокое Hf/W) формировалась во время жизни¹⁸²Hf .