Свободный кислород в атмосфере Земли, как предполагается, появился только к 1,2 млрд. лет.

Подводя итог можно сказать, что в любом случае атмосферы планеты ЗГ были лишены первичных атмосфер, а формирование вторичной атмосферы, прежде всего на Земле, связано главным образом с дегазацией мантии, но вероятен вклад и дегазации планетезималей в процессе аккреции.

6. Формирование гидросферы (жидкой воды) на поверхности Земли должно было произойти не позднее 3,9-3,8 млрд.лет - это возраст древнейших железистых кварцитов Гренландии, имеющих явно водное происхождение.

Энергетика планет: источники тепла и роль радиогенного тепла; термическая история планет земной группы

Вопрос об источниках энергии, определяющей тепловой режим и тектоническую активность Земли, необходимо решать в теснейшей связи с современными данными о составе, строении и развитии Земли.

1. До открытия радиоактивности считалось, что внутреннее тепло Земли является остаточным от ее первоначального огненно-жидкого состояния, согласно космогенической гипотезе Канта-Лапласа.

2. После открытия радиоактивности - основным источником внутреннего тепла Земли стали считать выделение тепла при распаде радиоактивных изотопов, прежде всего U235, U238, Th232, K40. Вместе с тем оказалось, что реальный замеряемый тепловой поток, оценка которого все же значительно возросла после открытия интенсивного тепловыделения в осевых зонах СОХ, намного превышает тепловой поток радиогенного происхождения. По имеющимся оценкам радиогенное тепловыделение для Земли в целом составляет около 1/4 теплового потока.

В настоящее время основными источниками тепла Земли считаются:

1) тепло, приобретенное Землей в период ее аккреции благодаря соударению планетезималей, что могло привести к формированию магматического океана. К основным первичным источникам энергии Земли, запасенным ею еще в процессе своего образования, можно отнести энергию гравитационной аккреции земного вещества и энергию сжатия земных недр. Первичный разогрев не был большим, а максимальная температура существовала на глубинах ~ 700-1000км и достигала 1600-1800oK (Caфронов,1969).(Трудно оценить какова роль этого источника в энергетическом балансе современной эпохи).

2) На геологической стадии развития нашей планеты, начиная примерно с 4 млрд.лет назад, стал развиваться другой мощный процесс выделения гравитационной энергии, связанный с химико-плотностной дифференциацией земных недр (Сорохтин,1991), т.е. выделение тепла при фазовых превращениях в мантии и, основное, разделение вещества на силикатную и Ме фазы на границе мантии и ядра.

О.Г.Сорохтиным впервые была высказана мысль о том, что не радиоактивный распад, а дифференциация на границе мантии и ядра является главным источником разогрева Земли.

Из теории акреции планет Сафронова, 1969 следует, что молодая Земля сразу после образования была однородной по составу и не имела плотного ядра. Следовательно, все ядерное вещество было рассеяно в первичной мантии. Следует ожидать, что самые древние породы должны содержать компоненты, ныне опустившиеся в ядро. Действительно, в ультаосновных и основных породах архея – повышенные содержания FeO (Тугаринов, 1970), в древних базальтах Гренландии на острове Диско встречается самородное железо (Левинсон-Лессинг, 1940). В тоже время, никаких заметных аномалий концентрации серы не наблюдается, а имеет место малый удельный вес сульфидной металлогении по сравнению с общеймассой содержащихся окислов Fe. В 1970г. Сорохтин предложил гипотезу окисло-железного состава внешнего жидкого ядра Земли. Fe – 3d⁶4s^2. Под влиянием давления в атомах переходных металлов происходят электронно-фазовые перестройки (без плавления)– внешние электроны переходят на внутренние орбиты, при этом меняются их свойства. Первый переход при P>130 кбар – 3d⁷4s^{1 .} Остается один электрон, появляются свойства одновалентного металла. При этих электронно-фазовых переходах выделяется энергия, она достигает исключительно высоких значений. В низах мантии:

Fe2SiO4 ® 2FeO+SiO2® Fe2O+SiO2+O

Внешнее ядро состоит из одновалентной окиси железа Fe2O c низкой температурой плавления.

При еще больших давлениях 3Мбар – второй электронно фазовый переход 3d⁸, которым можно объяснить формирование сплава Fe0.9*Ni0.1 во внутреннем ядре Земли.

Эта гипотеза была проверена в середине 70 по экспериментальным данным ударного сжатия металлов и их окислов. Совместимость принятой гипотезы с распределением плотности вещества в Земле, построенным по независимым сейсмологическим данным. Ее активно поддержали Буллен, Рингвуд.

Этот процесс привел к выделению в центре Земли плотного окисно-железного ядра и к возникновению в остаточной силикатной оболочке, т.е. в мантии интенсивных конвективных движений. Процесс химико-плотностной дифференциации вещества должен сопровождаться возникновением в мантии крупномасштабных конвективных движений, охватывающих всю мантию (вещество без Fe – менее плотное и будет подниматься вверх, а более плотное с железом опускаться вниз). Этим объясняется факт дрейфа континентов, существования литосферных плит, и связанный с этим целый комплекс геологических явлений – землятресения, рифтогенез, поддвиг

океанических плит под островные дуги, магматизм всех типов, наконец и образование плюмов на границе ядро-мантия.

Сегодня в мантии за счет гравитационной дифференциации генерируется около 3*10²⁰ эрг/ с, на долю энергии распада радиоактивных элементов приходится только около 0,35*10²⁰ эрг/ с, остальная и большая часть радиогенной энергии (0,9*10²⁰ эрг/ с), выделяется в земной коре. Расчеты показывают, что в этом случае в настоящее время из мантии в ядро переходит примерно 150 млрд.т / год ядерного вещества. Единственными подходящими на эту роль компонентами в современной мантии являются окислы железа (их содержание ~8%, концентрация сульфидов железа 0.1%). И с этой точки зрения вероятнее, что легкой добавкой является кислород, а не сера.

Тепловой поток солнечного излучения на поверхность Земли ~ в 4 000 раз превосходит величину глубинного теплового потока. Но после ряда преобразований в атмосфере, гидросфере, биосфере и приповерхностных слоях коры, он почти полностью отражается Землей, и поэтому активно влияет лишь на протекание экзогенных процессов – выветривание пород, поверхностный перенос продуктов их разрушения, осадконакопление и т.д.

В целом аккреционный разогрев планет сменялся дифференционным. Продолжался последний наиболее интенсивно до конца AR (2,8-2,5 млрд.лет), затем его интенсивность снизилась и продолжает снижаться и по ныне.

3) твердые приливы, обусловленные гравитационным воздействием Луны на Землю - переход кинетической приливной энергии в тепло, но он составляет не более 2% всей тпловой энергии.

Первые три источника проявляли себя максимально в первые 2 млрд.лет жизни Земли, и далее на протяжении всей своей истории Земля, также как и другие планеты ЗГ, испытывает охлаждение. (Предполагается, что Т мантии при образовании составляла 2000 С, сейчас 1350 С, а в архее на 200 С больше.)

В перспективе через 1-1,5 млрд.лет (оценки Сорохтина и Ушакова) Земля превратится в мертвую планету типа Меркурия и Марса.

ИЗОТОПНАЯ ГЕОХИМИЯ

1. Строение ядер атомов, диаграмма нуклидов

Первая модель строения атома была предложена Эрнестом Резерфордом. Для целей изотопной геохимии можно принять достаточно простую модель строения атомов:

1) атом состоит из ядра, в котором сосредоточена большая часть его массы,

и вокруг которого располагается облако вращающихся электронов;

2) основные элементы ядра это протоны и нейтроны, определяющие его заряд и массу.

Р - положительная частица с зарядом равным заряду электрона,

n - нейтрон имеет массу близкую к массе Р, но не имеет заряда.

Нейтроны, находящиеся вне ядра не стабильны и распадаются с периодом полураспада 10,6 мин, образуя Р и электрон.

3) в нейтральном атоме число орбитальных электронов равно числу Р.

Строение атомов удобно описывать числом протонов (Z) и нейтронов (N), составляющих их ядра. Z - называется атомным номером.

Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом (А):

A=Z+N

Для краткой записи используют символы, например 14С. Можно не указывать Z, так как элемент уже определяет Z .

Диаграмма нуклидов - это диаграмма показывающая положение нуклидов (атомов) в координатах Z и N. На ней каждый нуклид представлен квадратом, соответствующим его Z, а каждый элемент с определенным Z представлен несколькими атомами (серией квадратов), располагающимися в горизонтальном ряду и имеющихмиразные количества N.

Изотопы - атомы одного элемента (имеющие равные Z), но разное число нейтронов N. Они обладают практически одинаковыми химическими свойствами и различаются только по массе.

Изотопы - атомы разных элементов, имеющие разные Z, но одинаковые N (N=N, ZZ). Они располагаются в вертикальных рядах. Это атомы различных элементов.

Изобары - атомы разных элементов, у которых равные массовые числа (А=А), но разные Z и N. Они располагаются в диагональных рядах и представляют различные элементы.

Стабильность ядер и распространенность изотопов; радионуклиды

Общее число известных нуклидов составляет около 1700, из них стабильны только около 260. (212 природных нуклидов открыты Астоном - созлателем мас-спектрографа) Очевидно, что ядерная стабильность ядер является скорее исключением чес правилом. На диаграмме нуклидов стабильные изотопы, представленные затемненными квадратами, образуют полосу, окруженную нестабильными нуклидами.

Наличие области стабильности означает, что стабильны только нуклиды с определенным соотношением Z и N. Отношение N к Z растет от 1 до 3 с увеличением А.

1. Стабильными являются главным образом те нуклиды, у которых N и Z примерно равны. До Са в ядрах N=Z , эти атомы очевидно стабильны.

2. Большая часть стабильных нуклидов имеет четные Z и N.

3. Менее распространены стабильные нуклиды с четным Z и нечетным N или четным N и нечетным Z.

4. Очень редки стабильные нуклиды с нечетными Z и N.

В ядрах с четным Z и N нуклоны образуют некоторую упорядоченную структуру, что и определяет их стабильность. Исследование этого явления привело к предположению о сушествовании “магических чисел” для N и Z. Нуклиды с магическими числами Z или N обладают повышенной стабильностью. Такие числа включают 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Например, 20Са40 - является дважды магическим, стабилен и обладает высокой распространенностью (82-Pb, 126-трансурановые).

Число изотопов не велико у легких элементов и увеличивается в средней части ПС, достигая максимума у Sn (Z=50) , имеющего 10 стабильных изотопов. У элементов с нечетным Z число стабильных изотопов не более 2. Хорошей иллюстрацией распространенности стабильных нуклидов с четным Z является кривая солнечной распространенности.

Большинство известных нуклидов нестабильны и самопроизвольно распадаются до тех пор пока не достигнут устойчивой ядерной конфигурации. Такие нестабильные изотопы называются радионуклидами.

Большинство образованных в реакциях нуклеосинтеза - реакции нейтронного и протонного захвата, радионуклидов в природе уже не встречается, так как скорости их распада велики в сравнении с возрастом планет СС. Большая часть первоначально образованных нестабильных нуклидов уже распалась, за исключением тех, что еще “не вымерли” по причине малых скоростей распада но они могут быть получены искусственно в лабораторных условиях.

Для изотопной геохимии и геохронологии интерес представляет небольшая группа природных радионуклидов. Наличие их в природе объясняется рядом причин:

а) не полностью распались, большой период полураспада (U238, U235, Th232, Rb87, K40 и др.)

б) образуются при распаде долгоживущих природных радионуклидов (U234, Th230, Ra226)

в) образуются в природных ядерных реакциях C14, Be10, Si32).

Характеристики радионуклидов на диаграмме нуклидов:

n изотопы с четным А (четное Z, четное N) имеют большую распространенность чем их соседи с нечетными А (четное Z, нечетное N)

n вне диапазона стабильности изотопы с четным А либо стабильны, либо являются более долгоживущими чем их соседи,

n значения периодов полураспада уменьшаются при удалении от области стабильности, т.е. изотопы становятся все более неустойчивыми при увеличении или уменьшении числа N.

То есть диаграмма нуклидов показывает “энергетическую область”, в которой нуклиды, располагающиеся по сторонам от линии стабильности проявляют тенденцию скатываться в ее сторону.