Дифференциация ядро-мантия - это набор процессов, которые имели место на стадии аккреции [1] эволюции Земли (или, в более общем смысле, каменистых планет ), что приводит к разделению богатых железом материалов, которые в конечном итоге образуют металлическое ядро , окруженное скалистой мантией . Согласно модели Сафронова [3] протопланеты образовались в результате столкновений более мелких тел ( планетезималей ), которые ранее конденсировались из твердых обломков, присутствовавших в исходной туманности.. Планетезимали содержали железо и силикаты, либо уже дифференцированные, либо смешанные вместе. В любом случае, после столкновения с Прото-Землей их материалы, скорее всего, стали гомогенизированными. На этом этапе Протоземля, вероятно, была размером с Марс. Затем последовало разделение и расслоение составных частей Протоземли, главным образом вызванное контрастом их плотности. Такие факторы, как давление, температура и ударные тела в первичном магматическом океане [4] были вовлечены в процесс дифференциации.
Процесс дифференциации обусловлен более высокой плотностью железа по сравнению с силикатными породами, но более низкая температура плавления первых является важным фактором. Фактически, после того, как железо расплавилось, может произойти дифференциация независимо от того, полностью ли силикатные породы расплавлены или нет. [1] На основе этих вероятных сценариев было предложено несколько моделей для объяснения дифференциации ядра и мантии после стадии формирования туманностей в Солнечной системе . [4] Их можно свести к трем механизмам: 1) просачивание сплава железа через кристаллы силиката; 2) отделение металла от породы в первобытном магматическом океане; 3) Миграция железных диапиров или даек через мантию. [1] [5]
Перколяция
В предположении наличия смеси твердой мантии и расплавленного железа механизм перколяции включает движение металла по границам зерен кристаллов твердой мантии к центру Земли. Эта гипотеза предполагает, что скальные материалы остаются твердыми или мягкими, а железо расплавлено. Поверхностное натяжение капель железа не может быть физически больше, чем сопротивление, оказываемое сравнительно более вязкой мантией, что ограничивает размер капель железа. [6]
Гипотеза перколяции предполагает, что кристаллы в мантии не имеют предпочтительной ориентации. [1] Аналогичным образом, перколяция требует, чтобы двугранный угол между расплавом и кристаллами составлял менее 60 градусов для сохранения связности. [1] [5] Однако измерения на поверхности показывают, что двугранный угол часто превышает 60 градусов, тем самым ограничивая возникновение перколяции, [5] хотя неясно, может ли он быть меньше 60 градусов в нижней мантии. . [7] Следы железа не наблюдались в верхней мантии , чего можно было бы ожидать, если бы там преобладала перколяция. [7] Другой аргумент против перколяции как доминирующего механизма миграции железа состоит в том, что она требует, чтобы температура оставалась в узких пределах, выше солидуса железа, но ниже солидуса породы. [7]
Магматический океан
Выделение энергии во время удара крупных тел могло частично или полностью расплавить Землю, образуя океан магмы, возможно, более одного раза во время формирования Земли. [8] Даже если начальное плавление окружает только зону воздействия, изостатическое равновесие перераспределит магму в глобальном масштабе, хотя временная шкала такого перераспределения по сравнению с шкалой времени дифференциации силикатов железа остается неопределенной. [1] После того, как и камень, и металл расплавлены, легко происходит разделение, обусловленное контрастом плотности. [1] Модели предполагают, что плавление могло произойти, как только радиус планеты стал равным от ~ 2000 до 3000 км. Аналогичным образом, некоторые модели предсказывают появление океанов магмы на глубинах до 300 км. [5] Нижняя мантия, возможно, никогда не была полностью расплавлена, потому что ее температура плавления повышается со скоростью 1 Кельвин / км. [7] До сих пор остается неясным, имел ли место одностадийный длительный магматический океан или, скорее, несколько эпизодов быстрого охлаждения магматических океанов во время периодических ударных событий. [7] Эксперименты предполагают, что вязкость магматического океана была низкой, что подразумевает турбулентный конвективный поток, который быстро рассеивает тепло. Если это правда, то магматический океан может существовать всего несколько тысяч лет. [1]
Капли железа в магматическом океане существовали разных размеров в зависимости от размера тел, падающих на Землю. В расплавленном состоянии большие тела имеют тенденцию к разрушению, а мелкие - к слиянию. Равновесие определяется числом Вебера, которое дает среднее значение для расчета стабилизированного диаметра капель жидкого железа, который соответствует 10 см. [1] [5] [6] После образования капель железа отделяется от окружающих силикатов и выпадает в осадок в виде « дождя ». [1] [5]
Диапиризм и дайкинг
Большие железные капли не могут быть увлечены конвективными силами в первичной мантии, поэтому они не успевают гидродинамически уравновеситься и достичь стабилизированного размера. Следовательно, они откладываются на реологической границе (такой как современная граница литосферы и астеносферы ), образуя железные пруды. В конце концов, запруженное железо погрузится в сравнительно менее плотные силикаты под ними. [5] Считается, что этот механизм напоминает солевые диапиры . [1] Однако, несмотря на то, что мантия, лежащая в основе магматического океана, не является хрупкой, согласно некоторым исследованиям [9], возможно, что разницы в вязкости между железными прудами и мантией было достаточно, чтобы позволить формирование даек, а не чем диапиры. [1] В сегодняшних условиях железная обваловка была разработана как жизнеспособная стратегия для отправки зонда для изучения недр Земли. [10]
Другие модели дифференциации ядра и мантии
Модель Эльзассера
Температурные модели предсказывают плавление вкрапленного сплава железа, в то время как силикатные породы размягчаются на верхнем уровне. Источником тепла является радиоактивный распад. Жидкое железо мигрировало вниз к уровням, где более низкие температуры удерживали силикаты в затвердевании, образуя слой железа поверх недифференцированного материального ядра и ниже первичной мантии, в которой развивается вызванный ударами конвекционный поток. Начиная с этого этапа, скопления железа, вызванные неустойчивостью Рэлея-Тейлора, мигрировали через первичное ядро в течение длительного процесса (сотни миллионов лет). [2] [11]
Модель Витязева и Маевой
Вместо агрегатов железа, предложенных Эльзассером, эта модель предполагает, что железная оболочка плавится на границе с первичным ядром и проникает через последнее в жидком состоянии, вместо того, чтобы агрегироваться в железные шарики, как это предлагается в модели Сафронова. Первобытное ядро будет подниматься в телах размером с зерно до тех пор, пока не сольется с мантией. Масштаб времени для формирования ядра составляет порядка миллиарда лет. [12] [2]
Модель Стивенсона
Один из вероятных сценариев состоит в том, что первичное холодное силикатное ядро фрагментировалось в ответ на нестабильность, вызванную более плотным окружающим слоем железа. В конце концов, куски такого фрагментированного ядра («рокберги») мигрировали вверх и включились в мантию, тогда как сплав железа осел в центре Земли. [2] Этот процесс будет происходить быстрее, чем две модели, упомянутые выше. [2]
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h i j k l m "Формирование ядра Земли" (PDF) .
- ^ а б в г д Стивенсон, DJ (1981). «Модели ядра Земли». Наука . 214 : 611–619. DOI : 10.1126 / science.214.4521.611 .
- ^ Сафронов, В.С. (1972). Эволюция протопланетного облака и формирование Земли и планет . Программа научных переводов Израиля. п. 182.
- ^ а б Шарков, Е.В. (2015). «Проблема эволюции ядра Земли: геологические, петрологические и палеомагнитные данные». Доклады наук о Земле . 462 : 346–351.
- ^ Б с д е е г Карато, Сюн-ичиро (1997). «Формирование ядра и химическое равновесие в Земле - I. Физические соображения». Физика Земли и планетных недр . 100 : 61–79. DOI : 10.1016 / s0031-9201 (96) 03232-3 .
- ^ а б Стивенсон, DJ (1990). Происхождение земли . Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. С. 87–88. ISBN 9780195066197.
- ^ а б в г д Бадро, Джеймс (2015). Ранняя Земля: аккреция и дифференциация . Американский геофизический союз. п. 86.
- ^ Тонкс, У. Брайан (1993). «Образование океана магмы в результате гигантских ударов». Журнал геофизических исследований . 98 : 5319–5333. DOI : 10.1029 / 92je02726 .
- ^ Рубин, Аллан М. (1995). «Распространение трещин, заполненных магмой». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 23 : 287–336. DOI : 10.1146 / annurev.earth.23.1.287 .
- ^ Стивенсон, Дэвид Дж. (2003). «Миссия к ядру Земли - скромное предложение». Природа . 423 : 239–240. DOI : 10.1038 / 423239a .
- ^ Эльзассер, WM (1963). «Ранняя история Земли». Науки о Земле и метеоритика : 1–30.
- ^ Витязев, А.В. (1976). «Модель ранней эволюции Земли». Известия АН СССР. Физика твердой земли . 2 : 3–12.