Возможные формы существования материи в глубинных слоях Земли

В настоящем конспекте лекций не рассматриваются гипотезы воз­никновения нашей планеты. Случилось ли это за счёт осты­вания расплавленной первичной материи[10], как утверждало ранее большинство специалистов, или наша Земля возникла из твёрдой массы и газов космической пыли, как утвержда­ет в своей гипотезе академик АН СССР (1935), академик АН УССР (1934) Отто Юльевич Шмидт.

Отто Юльевич Шмидт (1891-1956)

О строении нашей планеты у части учёных имеются (начиная с В.М. Гольдшмидта) довольно согласованные представления, которые можно об­общить следующей схемой:

‒ сидеросфера – металлическое ядро Земли (рис. А), сред­ний

диаметр которого 3500 км;

‒ халькосфера – сульфидно-оксидная оболочка (рис. А),

толщиной до 2900 км;

‒ литосфера – состоит из различных силикатов: оснόвных,

толщиной до 120 км и кислотных – до 100 км

(рис. А);

‒ гидросфера – водяная оболочка Земли (до 11 000 м);

‒ атмосфера – газовая оболочка Земли (до 300 км).

Сравнение данных о плотности земного шара в целом (5,527 г/см³) и средней плотности земной коры (2,7-2,8 г/см³) приводит к выводу о том, что глубинные слои Земли состоят из более плотной материи. Причинами повышения плотности глубинных слоёв Земли могут быть либо измене­ние химического состава, либо изменение агрегатного состо­яния вещества под действием повышенного давления и тем­пературы.

Первая причина даёт объяснение фактам в рамках при­вычных представлений. Именно поэтому многими специа­листами принималась как наиболее вероятная гипотеза о том, что земное ядро состоит из железа (ρ = 7,874 г/см³) и никеля (ρ = 8,902 г/см³), то есть металлов по плотности наиболее близких к средней плотности земного шара.

Вторая точка зрения гораздо дальше от традиционнос­ти: так, по мнению члена-корреспондента АН СССР Анатолия Фёдоровича Капустинского, в земных условиях атомы сохраняют привычную электронную структуру только в поверхностном слое нашей планеты, но не глубже 60-120 км, что соответствует дав­лениям 20-60 тыс. атм. Только для этой зоны справед­ливым может считаться обычный известный нам химизм – «зона нормального химизма» по Капустискому.

Анатолий Фёдорович Капустинский (1906-1960)

На большей глубине до 2900 км электронная структура атомов принципиально иная: под существующим там давлением в миллионы атмо­сфер заполнение электронных оболочек происходит последовательно до предельной их ёмкости. Таким образом, периодическая система химических элементов для тех условий должна состоять только из 5 периодов, состоящих соответственно из 2, 8, 18, 32, 50 эле­ментов согласно формуле 2N², где N – номер периода. В соответствии с этим в изменённом виде представятся нам и физико-химические свойства всех элементов. Эту зону Капустинский, специалист в области кристаллохимии и химической термодинамике, назвал «зоной вырожденного химизма», а следующую за ней – «зоной нулевого химизма» (рис. Б).

Рис. . Модели строения и состава земли:

А – по Капустинскому; Б – по Гольдшмидту

Гипотезы некоторых авторов идут ещё дальше. Существуют мнения о том, что при высоких давлениях и температурах электронные оболочки атомов разрушаются вовсе. В этом случае материя должна представлять сплошное электронное облако, состоящее из делокализованных, обоб­ществлённых электронов, в котором «плавают» атомные ядра. Правда, специалисты считают, что подобное состояние может возникать только в звёздах при температурах выше 30 000 К, а условия земного ядра признаются недостаточ­ными для полного разрушения электронных оболочек ато­мов.

В связи с этим интересно вспомнить, что академик АН СССР, лауреат Нобелевской премии по физике Лев Давидович Ландау рассчитал теоретическую возможность такого состояния материи, когда в результате сверхвысоких давлений электроны могут «вжиматься» в атомные ядра. Соединяясь там с протонами, электроны превращают их в нейтроны. В результате возникает нейтронное состояние материи. По мнению Ландау, можно предполагать, что обратный переход из нейтронного со­стояния материи в электронно-протонное, сопровождаю­щийся высвобождением огромного количества энергии, мо­жет быть причиной грандиозных космических процессов – вспышек «сверхновых звёзд».

Так с развитием человеческих представлений о Вселенной и атомах геохимия вырастает в космохимию.

Если говорить о причинах «разогретости» внутренних слоёв Земли, то и здесь нет единой точки зрения у специа­листов. В. И. Вернадский, например, считал первопричиной теплоту, выделяю­щуюся при радиоактивных процессах.

Таким образом, современные представления о строении и составе глубинных слоёв Земли основываются главным образом на теоретических предположениях учёных. Экспе­риментальная проверка этих представлений ведётся путём изучения изверженных в вулканических процессах глубин­ных горных пород, а также посредством моделирования химических про­цессов, протекающих в экстремальных условиях (при крайне высоких температурах и давлениях).