Природа космических тел Солнечной системы - Тимофеев Дмитрий Николаевич

Рис. 29. Теоретическое расположение породообразующих элементов в геосферах мантии Земли

Картина процессов в мантии Земли показана на рис. 30.

Лава магматического очага, расположенного на большей глубине (в центре Африки вулкан Ньирагонго), содержит много (около 35%) окиси кальция, что, показывает расположение вулканического очага в геосфере соединения кальция (рис. 30, поз. 9).

Рис. 30. Основные процессы в мантии земли (выделенное линией – - – увеличено):

1 – массивы всплывающего очищенного дистиллированного (деплетированного) вещества ядра Земли; 2 – коренные породы мантии; 3 – зона распада вещества мантии; 4 – поднятие газов из зоны распада; 5 – скопление силановой нефти (астеносфера); 6 – скопление силановой нефти под океанами; 7 – корень континента; 8 – проекции фокусов землетрясений 1965 – 1968 гг в петропавловском секторе Камчатки на плоскость перпендикулярную Камчатскому желобу, по С. А. Федотову [Федотов, Токарев, 1971]; 9 – континентальный вулкан (Ньирагонго); 10 – утолщение коры Земли, зона синтеза базальта; 11 – интенсивное утолщение коры Земли в горных районах; 12 – скопление нитронефти; 13 – залежи углеводородов; 14 залежи карбонатов и рудных тел; 15 – выход воды, азота, углекислого газа; 16 – поднятие силановой нефти внутри континента в зоне разлома

Ядро после распада соединений полностью очистилось от легких элементов. Элементы с плотностью атомов меньше, чем у цинка, всплыли из ядра Земли с образованием грандиозных массивов дистиллированной (деплетированной) породы океанической мантии из чистых химических соединений (рис. 30, 1). Эти всплывшие массы были обнаружены по аномалиям скоростей [Павленкова, 2011], что отличает их от имеющих примеси, коренных пород мантии (рис. 30, 2). В коренных породах мантии в виде примесей в химически связанном состоянии, находится и небольшое количество тяжелых элементов, из которых состоит ядро Земли. Незначительное содержание тяжелых элементов в мантии определяет незначительное содержание их в коре. Это создает иллюзию малого содержания их во всей Земле, что является неправильным представлением.

Зона разложения пород и синтеза подвижных соединений

Гипотеза 37

На границе между мантией и ядром Земли находится зона разложения пород. Элементы С, N, O, S, H имеют с породообразующими элементами соединения с разной прочностью связей. В слое, прилегающем к ядру Земли, где температура выше, в твердом состоянии могут находиться соединения углерода (карбиды, ацетилениды), температуры плавления и разложения которых наиболее высоки. Далее от ядра элементы могут находиться как в виде карбидов, так и в виде нитридов и азидов. Еще выше, помимо соединений углерода и азота, могут находиться, не разлагаясь, окислы. В верхней части нижней мантии, где температуры ниже, не разлагаясь, помимо соединений углерода, азота, кислорода, могут быть также соединения водорода (гидриды) а также хлора, фтора, брома, йода и серы. Такая последовательность подтверждается, например, температурами плавления соединений V, Nb, Sb. Температуры плавления карбидов составляют 2800—3800оС, нитридов 2050—2300оС, окислов 1495—1970оС. От теплового воздействия ядра Земли постоянно происходит разложение соединений нижней мантии. Например, разложение карбида золота пойдет по следующей реакции:

Au2C2→Au↓+C↑

В результате этого разложения выделившееся золото (плотность 19.3 г/см3) погрузится в ядро Земли, а углерод (плотность в состоянии алмаза 3.5 г/см3) будет подниматься.

Выше, в слое мантии, где могут залегать соединения азота, происходит разложение нитридов и азидов, например, по реакции:

Cu (N3) 2→Cu+3N2↑

Выше происходит разложение окислов, например, по реакции:

2СdO→2Cd+O2↑

Выше, происходит разложение гидридов, например, по реакции:

TiH2→Ti+H2↑

Аналогично разлагаются соединения галогенов и серы.

Выделившиеся газообразные элементы при поднятии или взаимодействуют с породами, или, проходя через все вышележащие слои Земли, выходят на поверхность.

По мере поднятия подвижных соединений нитриды в пластах трансформируются в карбиды, окислы в нитриды, гидриды в окислы по реакциям:

2Cu (N3) 2 +2С →Cu2С2+6N2↑

6СdO +2N2→2Cd3N2 +3O2↑

TiH2 +O2→TiO2+H2↑

Таким образом, фронт нижней мантии из карбидов, нитридов, окислов, гидридов, по мере разложения нижней поверхности мантии температурным воздействием ядра, перемещается вверх к коре Земли.

В нижней мантии при разложении пород выделяются Cl2, H2, N2, С, O2, F2, S, J, Br, образующие подвижные соединения с высоким изобарным потенциалом: NO, N2O, N2O4, Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, ClN3 Cl3N, J3N, FN3, N2O5, NO2, N2O3, NH3, O3, N2H4, C2H2, C4N2, C2N2, а также, радикалы HO+, CN, CH, например, по реакциям:

N2+2O2↔2NO2

2Cl2+O2↔2Cl2O

N2+2H2↔N2H4

Все реакции обратимы, однако, в этих условиях высокого давления и высоких температур равновесие смещено в сторону конечных продуктов из-за их высокого изобарного потенциала. Подобный синтез окислов азота, например, происходит в условиях повышенного давления в цилиндрах двигателей автомобилей.

Число видов соединений с поднятием температуры уменьшается и доходит до совершенно небольшого перечня веществ, состоящих из низкомолекулярных соединений с максимальными энергиями связей. Такое состояние преобладает в мантии ближе к ядру, где температуры для мантии максимальны. В верхней мантии, где температуры ниже, реакции крекинга не так сильны, соединения имеют больший молекулярный вес, разнообразие соединений намного шире.

Природа образования веществ деплетированной мантии и веществ корней континентов

Гипотеза 38

Структуры верхней мантии континентов и океанов принципиально отличаются. Континентальные аномалии высоких сейсмических скоростей простираются до глубины 300—400 км. Состав мантии континентов и океанов различен, по этой причине мантия под океанами стала называться деплетированной [Павленкова, 2011] (рис. 23. 1). Состав деплетированного океанического мантийного вещества обеднен электроположительными элементами (U, Th, К, Rb, Cs, Sr, Ва, Be и др.) и легкими редкоземельными элементами (La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm). Для деплетированной мантии характерны пониженные значения изотопных соотношений Pb206/Pb204 и Sr87/Sr86 и повышенные – Nd143/Nd144. Такие выводы о составе океанической мантии сделаны по результатам изучения базальтов срединно-океанических хребтов [Zindler, Hart, 1986]. Это различие требовало объяснения. Предлагается следующее объяснение этого отличия. Вещество мантии континентов меньше подверглось трансформации в ходе исторического изменения ее состава. Оно образовалось путем длительной сепарации реликтового космического вещества, из которого сформировалась планета 4.5 миллиарда лет назад. В процессе сепарации значительный процент примесей сохранился в составе вещества мантии. Поскольку это вещество не подвергалось значительному нагреванию, в нем сохранилось некоторое количество примесей тяжелых элементов в виде сложных химических соединений, имеющих в совокупности с другими элементами значения плотностей, позволявших им удерживаться на их горизонтах мантии. Деплетированное вещество океанической мантии образовалось в первую очередь из фракций ядра Земли при условиях более мощного температурного воздействия. Эта фракция вещества, имеющего сравнительно малую плотность атомов, исторически оказалась в составе ядра Земли при формировании ее массы из космического реликтового пепла 4.5 миллиарда лет назад. При разогреве ядра до состояния раскаленных газов эти вещества распались до атомарного состояния, по этой причине сепарировались на отдельные элементы, чем очистились от всех примесей и затем, как более лёгкие, всплыли из ядра в мантийное пространство. Здесь вновь при взаимодействиях образовали те же породы, что породы континентальной мантии, но уже без примесей, поскольку примеси тяжелых атомов остались в ядре, а более легких образовали отдельные фракции. Кроме как из реликтового вещества ядра, значительная часть деплетированного вещества образовалась при разложении пород нижней мантии теплом раскаленного ядра Земли. Постепенно нижняя поверхность мантии разлагается от тепла ядра и переходит в состояние веществ из атомарных газов. При этом фракция элементов с малой плотностью атомов не попадает в ядро, а поскольку имеет плотность меньше плотности мантийного вещества на этом горизонте, поднимается в более высокие мантийные сферы. Преобразование вновь образованных веществ в те же породы, что и континентальные объясняется примерно одинаковыми условиями по давлениям и температурам в мантийном пространстве под континентами и океанами. Таким образом, деплетированное вещество океанической мантии – это легкая фракция дистиллированного в ядре Земли (перегнанного) вещества космического пепла.