Модели возникновения земного ядра

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по геодинамике на тему:

«Модели возникновения  земного ядра»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2011г. 

Оглавление

1.Введение. 3

2. 3емное ядро 6

2.1.Процесс выделения земного ядра 6

2.2.Возможные модели возникновения земного ядра. 8

2.2.1. Модель позднего выделения ядра. 8

2.2.2. Модель перколляции. 11

2.2.3. Модель раннего выделения ядра. 12

2.2.4. Модель Лодочникова-Рамзея. 15

2.2.5. Модель Цёпритца. 16

2.2.6. Модель Куна-Ритмана. 17

2.2.7. Модель Кольцова. 18

2.2.8. Модель Гоха. 20

2.3.Этапы выделения и формирования земного ядра. 22

2.4.Возможная модель выделения внутреннего ядра. 27

З.Заключение. 28

Список литературы: 31

 

 

1.Введение.

 

Ядро занимает центральную часть  Земли (2900 - 6371 км), составляя около 17% от её объёма и 33% массы. В его составе  выделяют внешнее ядро, переходную оболочку и внутреннее ядро.

 

Рис. 1 .Строение земного ядра (http://spacelife.narod.ru/3/3.4.htm)

 

Внешнее ядро заключено в пределах от 2900 до 5000(5100) км. Его объём - 15,16%, масса - 29,8%. Оно состоит из вещества, находящегося в расплавлено-жидком состоянии. Вязкость - 0,4 П, что близко к вязкости воды. В последние годы на основании термодинамического моделирования с использованием механики жидких сред, делаются попытки стратифицировать внешнее ядро на две оболочки: верхнюю и нижнюю. Верхняя оболочка внешнего ядра рассматривается как некая слоистая зона, а нижняя - как зона интенсивной конвекции.

В основании внешнего ядра располагается  переходная оболочка мощностью около 140 км, интервал глубин 5000 - 5200 км. Слой характеризуется  некоторым увеличением скорости продольных упругих волн до 10,4 км/с, однако поперечные волны в её пределах не прослеживаются. Внутреннее ядро (субъядро) занимает самую сердцевину нашей планеты. Его радиус 1250 км, объём около 0,7 %, а масса около 1,8% от массы всей Земли. В его пределах скорость продольных волн возрастает до 11,4 км/с а поперечных до 3,4-3,6 км/с, что свидетельствует о том, что вещество субъядра находится в твёрдом состоянии.

В отношении химического и минерального состава ядра Земли существуют две  основные точки зрения: ядро - железо-никелевое или силикатное ( то есть тождественно составу мантии). Опыты показали, что в ядре должно содержаться не менее 80-90 % железа. В то же время было доказано, что при давлениях, которые господствуют в ядре Земли, железо-никелевое ядро должно на 8-15 % превышать плотность внешнего ядра в существующих моделях. Поэтому предполагается, что внешнее ядро состоит из сплавов или соединений железа с более лёгкими элементами, например,Si, О, Н. Считается также весьма возможным соединении железа с серой (Fe₃S). О.Г.Сорохтин считает наиболее вероятной добавкой к железу во внешнем ядре - кислород, а основным соединением, определяющим состав внешнего ядра - оксид одновалентного железа (Fe₃S). Однако при высоких давлениях химические свойства железа могут меняться, так как железо относится к переходной группе элементов с незаполненными промежуточными электронными уровнями. Поэтому при высоких давлениях в железе могут возникать электронно-фазовые переходы, меняющие конфигурацию внешних электронных оболочек: Fe₂Si04 Fe₂0 + Si0₂ + О При дальнейшем увеличении давления может произойти распад самого оксида железа с образованием чистого железа: Fe₂0 2Fe + О.

Расчёты О.Г.Сорохтина показывают, что такой переход с выделением чистого железа возможен при давлениях (2,5-3)* 10⁵ МПа, что близко к давлению на поверхности внутреннего ядра Земли (3,28*10⁵ МПа). Всё это позволяет высказаться за то, что внешнее ядро состоит из оксида одновалентной фазы железа.

Внутреннее  ядро состоит из сплава железа с  никелем в пропорции Fe₀,₉Ni₀,₁. Наиболее активно процессы кристаллизации железа вероятно, происходят в переходной оболочке. В результате этого процесса идёт осаждение свободного железа и приращение внутреннего ядра. Все эти данные были получены долгими и упорными трудами учёных на протяжении не одного десятка лет. Сложность в изучении строения, состава и, конечно же, возникновения ядра очевидны. Возникновение земного ядра - вопрос, интересующий учёных уже очень давно. Известно о ядре очень мало - вся информация получена косвенными геофизическими или геохимическими методами, и образы вещества ядра не доступны, и вряд ли будут получены в обозримом будущем. Однако, несмотря на все трудности, учёными были выдвинуты модели возникновения земного ядра. Рассмотрим эти модели.

 

2. 3емное ядро

2.1.Процесс выделения земного  ядра

 

Для того чтобы рассмотреть возможные  модели возникновения земного ядра, необходимо разобраться в происхождении  самой Земли и Солнечной системы.

Считается, что «колыбелью» будущего Солнца и планет солнечной системы  явилось исходное газопылевое протопланетное облако, которое образовалось из межзвёздного газа и скопления железо-силикатной пыли нашей Галактики.

Рис.2.Газопылевое протопланетное облако

(http://www.en.edu.ru/shared/files/old/mlaPresent/presentations/32/7467_32.html)

Мы допускаем, что это облако (небула) уже содержало в себе различные химические элементы. Межзвёздные облака обычно испытывают медленное вращение и находятся в состоянии, близком в равновесии. Движение вещества в облаке напоминает турбулентное, хаотическое перемещение материи. Если же облако становится достаточно большим и плотным, то оно оказывается неустойчивым: в нём превалирует тяготение, и облако начинает сжиматься. Нарушение равновесия в первичном газопылевом облаке может произойти также при понижении температуры газа, составляющего 99% его массы. Вещество уплотняется до состояния вещества звёзд. Возникают термоядерные реакции, общим результатом которых является превращение водорода в гелий и выделение огромного количества энергии. По-видимому, в результате термоядерного взрыва и возникло Протосолнце. Вещество, выброшенное при этом, образовало вокруг него широкое плазменное облако, своеобразную туманность в виде диска с температурой несколько миллионов

градусов Цельсия. Из этого протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие тела Солнечной системы. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который в дальнейшем распался на холодные рои твёрдых частиц и газа. Из внутренних частей газопылевого диска возникли планеты типа Земля, состоящие в основном из тугоплавких элементов, а из периферических частей диска - большие планеты, богатые лёгкими газами, летучими элементами; в самой же внешней зоне образовалось огромное количество комет.

Дальнейшая эволюция будущих планет происходила, по мнению советского академика  А.П.Виноградова, путём собирания, - аккреции космического вещества различного размера от пылевидных частиц до огромных космических тел, получивших названия планетозималий. Постепенное повышение плотности вещества в протопланетном облаке резко увеличивало вероятность столкновения и слипания частиц. Аккреция протопланет могла проходить по двум основным сценариям: гомогенная и гетерогенная аккреция. Первый сценарий предусматривает образование планет из однородного, недифференцированного тела. Гетерогенная аккреция допускает вначале образование ядра Земли в результате слипания железистых частиц и метеоритов, затем формирование вокруг него мантии за счёт падения каменных метеоритов, а далее и земной коры, которая по составу близка к углистым хондритам.

2.2.Возможные модели возникновения  земного ядра.

2.2.1. Модель позднего выделения  ядра.

 

Согласно  рассмотренной выше и наиболее вероятной  модели образования Земли, она как и другие планеты Солнечной системы, образовалась за счет гомогенной аккреции холодного вещества протопланетиого облака. Рассмотрим модель позднего выделения ядра, спустя сотни миллионов лет после возникновения планеты.

Выделение плотного земного ядра могло начаться только после предварительного разогрева  Земли. При этом процесс выделения  земного ядра, в котором сосредоточена  треть массы Земли, естественно, должен был оставить неизгладимые следы  и в геологической летописи. Такими следами являются магматические  породы, излившиеся на поверхность  Земли или внедрившиеся в земную кору в расплавленном и перегретом состоянии, деформации пород земной коры, продукты дегазации Земли, породившие гидросферу и атмосферу, а также  геохимические особенности распределения  изотопов в земных породах. Несмотря на колоссальные усилия геологов всего  мира отыскать самые древние породы Земли, достоверно определенные возрасты наиболее древних пород земной коры, как правило, не превышают 3,75-3,8 млрд лет (Мурбат, 1980; Тейлор, Мак-Леннан, 1988). В последние годы, правда, появились сообщения австралийских геологов о находках обломочных цирконов с возрастом до 4,2-4,3 и даже почти до 4,4 млрд лет, залегающих в песчаниках и конгломератах архейского возраста, по- видимому близкого к 3,5 млрд лет (Wilde et al., 2001). Но из этого вовсе не следует, что континентальная кора начала формироваться в столь древние времена, как думают некоторые из геологов. В дальнейшем, после возникновения в архее плотной атмосферы и гидросферы, эти цирконы могли вымываться из первозданных пород Земли и отлагаться в осадочных породах архея, напоминая нам, что Земля намного старше, чем ее земная кора. Получается, что в течении катархея не обнаружено никаких пород, и можно сказать, что в течении

(4,6-3,8)* 10⁹ лет у Земли был «провал памяти». Это можно объяснить только тем, что первоначально молодая Земля в течение приблизительно первых 600-800 млн лет ее жизни, т.е. в течение всего катархея, действительно была холодной и пассивной планетой. Именно поэтому в земных недрах тогда и не развивались процессы дифференциации, приводящие к выплавлению легких коровых пород (базальтов, анортозитов или плагиогранитоидов). После же начала выделения земного ядра, когда Земля уже прогрелась настолько, что в ее недрах появились первые расплавы, а возникшие конвективные течения сломали первозданную литосферную оболочку, на земной поверхности появились и первые изверженные коровые породы. При этом вся первозданная литосфера, по существу являвшаяся аналогом примитивных океанических литосферных плит, должна была быстро и полностью погрузиться в мантию. Полному уничтожению ее следов на поверхности молодой Земли способствовало и то обстоятельство, что первозданная литосфера была сложена богатым железом и потому весьма тяжелым (около 4 г/см³) первичным веществом, тогда как плотность расплавленной верхней мантии после начала зонной дифференциации стала быстро снижаться до 3,2-3,3 г/см³. Изверженные же породы, и тогда представлявшие собой крайние дифференциаты земного вещества основного состава, должны были быть значительно более легкими - плотностью около 2,9-3,0 г/см³. Поэтому-то они и сохранились до наших дней, сформировав на поверхности древнейшие участки земной коры. Это и есть сохранившиеся и бесспорные следы, отмечающие собой начало процесса выделения земного ядра. Но произошло это уже в архее - в древнейшей эре земной истории, следы которой четко запечатлены в геологической летописи Земли.

Среди свидетельств, маркирующих начало процесса выделения земного ядра, прежде всего, следует отметить появление  первых изверженных пород около 3,9-3,8 млрд лет назад, положивших начало формированию континентальной земной коры, а также первых морских бассейнов и земной атмосферы. Также изотопные отношения свинца в земных и лунных породах убедительно показывают, что Земля в противоположность Луне никогда полностью не плавилась и, главное, не подвергалась радикальной дифференциации. Поэтому в описываемой модели эволюции Земли принято, что выделение ядра и гравитационной энергии дифференциации земного вещества началось приблизительно через 600 млн лет после образования самой планеты, в момент возникновения около 4,0 млрд лет назад в верхней мантии слоя астеносферы.

Таким образом можно предположить, что процесс дифференциации земного  вещества начался около 4 млрд лет назад. Тогда же начался и процесс выделения "ядерного" вещества, приведший, в конце концов к формированию у Земли плотного окисно-железного ядра. Заметная тектоническая активность Земли проявилась несколько позже - около 3,9-3,8 млрд лет назад. Процесс роста земного ядра продолжается и в настоящее время.

Но, несмотря на то, что модель позднего выделения ядра является наиболее обоснованной и реальной, некоторые учёные ставят под сомнение как эту модель в  частности, так и то, что ядро состоит  из железо-никелевого состава. Стоит привести их доводы:

1. Плотность внутреннего (G, по Буллену) ядра ниже, чем плотность железа при условиях, существующих в области внутреннего ядра.
2. Скорость S-волн в G-ядре очень мала и, если бы там было железо, то она должна бы быть около 6 км/с.
3. Скорость Р-волн практически не возрастает к центру Земли оставаясь постоянной вдоль радиуса (vp² = dp/dr), что не характерно для конденсированного вещества, а соответствует состоянию сжимаемого газа, т.к. скорость звука в газе практически не зависит от р и г, которые однозначно связаны друг с другом (р = rkT/mm, m - молекулярный вес, m = масса протона).

 

2.2.2. Модель перколляции.

 

Существует модель перколляции, то есть процесс стекания капель железосодержащих соединение и чистого железа (то есть ядерного вещества) из мантии в центральные сферы нашей планеты. Процесс «стекания» можно представить себе как некий седиментационный процесс, то есть осаждение тяжёлой компоненты из раствора под действием силы тяжести. Седиментационное расслоение Земли могло происходить либо в её твёрдом состоянии, либо в жидком.

Время седиментационного расслоения (t_c) можно оценить как

 

t_c=H_m/V _с,

 

где Н_m - толщина мантии,

V_c - скорость седиментации.

Скорость седиментации находится  из уравнения Стокса:

 

V_c=2r²g∆p/9ηm

 

где r - радиус плотностной неоднородности («капли»), g - ускорения силы тяжести,

∆р - разность плотности «ядерного» вещества и средней плотности вещества молодой Земли;

η - вязкость первичного земного материала (для облегчения задачи примем его равной средней вязкости современной мантии, то есть η_m=10²³ П) Пусть r=1 км, а

∆р=5 г/см³, тогда t_c=10¹⁴ лет, что примерно на 10⁵ раз превышает возраст самой Земли. Если же принять размеры плотностных неоднородностей в несколько сантиметров, то t_c= 10²⁴ лет.

Таким образом стоит сделать вывод, что эта модель не является реальной.

2.2.3. Модель раннего выделения  ядра.

 

Гетерогенная аккреция, определившая с самого начала главные черты строения земного шара — наличие в первичной Земле металлического ядра и мантии. При аккумуляции металлических частиц сначала возникло ядро, затем на него осели более поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную мантию первичной планеты.

Идею о том, что Земля начала аккумулироваться первоначально из металлических частиц, высказали  В. Латимер, Э. В. Соботович, П. Гаррис и Д. Тозер, а позднее Э. Орован. В дальнейшем она была поддержана К. Таркяном и С. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовым. По К. Таркяну и С. Кларку, первичная Земля аккумулировалась в той последовательности, в которой происходила конденсация веществ из первичной солнечной туманности. Крайний вариант гетерогенной аккумуляции Земли был недавно предложен Д. Л. Андерсоном и Т. Ханксом, которые полагают, что внутреннее ядро Земли приобрело свой состав за счет самых ранних дометаллических конденсатов, внешнее ядро возникло из металлической фракции и серы, а мантия—за счет аккумуляции силикатной фракции. На заключительных стадиях аккумуляции произошло осаждение материала типа углистых хондритов (С1), включая гидратированные силикаты, летучие и органические соединения.

В процессе аккреции Земли железоникелевые частицы имели явное преимущество в отношении объединения перед частицами другого состава. Если аккумуляция первоначально происходила при высоких температурах, то капли железа при соприкосновении друг с другом легко сливались в тела компактной массы, образуя зародыши планет. Если агломерация имела место при низких температурах, то металлические частицы ввиду своей пластичности и хорошей теплопроводности объединялись при столкновении. В этом случае происходило поглощение кинетической энергии. Таким образом, могли происходить процессы как "горячей сварки", так и "холодной сварки" в зависимости от температуры частиц. Заметим, что в некоторых железных метеоритах обнаружены признаки объединения металла в результате соударений.

Поскольку силы магнитного притяжения для мелких металлических частиц на много порядков превосходят гравитационные силы, зависящие от масс, аккумуляция  частиц никелистого железа из охлаждающейся  солнечной туманности могла начаться при температурах ниже 1000 К в виде крупных сгущений и во много раз была более эффективной, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. По Ф. Хойлу и Н. Викрамасингу, когда происходило непрерывное сжатие Солнца, напряженность магнитного поля могла достигать высоких значений, на два порядка превышающих современную. В этих условиях аккумуляция ферромагнитных материалов типа железоникелевых частиц и троилита должна протекать наиболее эффективно, образуя зародыши планет земного типа. Поскольку точка Кюри для железа и железоникелевых сплавов находится вблизи 1000К, магнитные силы как фактор аккумуляции могут вступить во взаимодействие задолго до начала окисления железа.

П. Гаррис и Д. Тозер вычислили поперечное сечение захвата взаимно намагниченных частиц, которое оказалось в 2-104 раз выше их реального поперечного сечения. В то же время они показали, что магнитное взаимодействие зависит от размеров частиц.

Но, несмотря на то, что эта модель имеет право на существование, есть прямые доказательства того, что молодая  Земля никогда не плавилась и у нее еще не было плотного металлического ядра. Так, многие отличия геохимии лунных пород от земных могут быть объяснены только тем, что родительское тело Луны, т.е. Протолуна в противоположность Земле, была полностью расплавлена вскоре же после своего образования. При этом Протолуна прошла полную дифференциацию с выделением металлического ядра и анортозитовой коры. Об этом говорит, например, мощная анортозитовая кора на Луне, а также резкое обеднение лунных пород (по сравнению с земными) всеми сидерофильными и халькофильными элементами (Рингвуд, 1982; Хендерсон, 1985). Наиболее ярким и практически неопровержимым свидетельством этого являются изотопные отношения свинца на Луне и Земле. В лунных породах, явно выделившихся после полного расплавления планеты, отношения радиогенных изотопов свинца с атомными весами 206, 207 и 208, образовавшихся за счет распада урана 238 и 235, а также тория 232, к стабильному (первичному) изотопу 204 экстремально велики. Эти отношения в лунных породах в среднем достигают соответственно значений 206Pb/204Pb ~ 207, 207Pb/204Pb ~ 100, 208Pb/204Pb ~ 226 и выше, тогда как для земных пород, осредненных в океаническом резервуаре пелагических осадков, эти отношения равны 206РЬ/204РЬ = 19,04, 207Pb/204Pb = 15,68 и 208Pb/204Pb = 39,07. Для первичных же свинцов (судя по изотопному составу железного метеорита "Каньон Диабло", Аризона, США) они еще меньше - только 9,50; 10,36 и 29,45. Из приведенных соотношений вытекает, что лунным веществом во время расплавления Протолуны действительно было потеряно (перешло в протолунное ядро) от 96 до 98% первичного (нерадиогенного) свинца, а в лунной коре и базальтах накапливался в основном только радиогенный свинец. Ничем другим, кроме полного расплавления протолунного вещества, ликвацией расплавов и переходом свинца и его сульфидов в ядро этой планеты, такую потерю первичного свинца лунным веществом объяснить не удается. При этом железный метеорит "Каньон Диабло", в котором изотопы свинца действительно близко соответствуют их первичным отношениям, следует рассматривать как осколок ядра некоего спутника, прошедшего, подобно Протолуне приливное расплавление, дифференциацию и разрушение еще на стадиях формирования самих планет Солнечной системы.

 

2.2.4. Модель Лодочникова-Рамзея.

 

В 1948 году советский учёный Лодочников, известный геолог, и Рамзей, это уже иностранный учёный, понимая трудности образования железного ядра, предложили принципиально другую идею: нет железного ядра в земле, нет железных ядер и в других планетах.

Они предложили идею так называемой металлизации силикатов. То есть при  высоком давлении силикаты (а уже  было известно, что все силикатные вещества могут претерпевать фазовые  переходы под очень высоким давлением) преобразуются в очень плотный  субстрат, который проводит электрический  ток. Внешняя электронная оболочка сближается, и могут индуцироваться электрические токи, в том числе  образуя магнитное поле. Это была красивая идея, она объясняла состав всех планет - Меркурия, Марса, Венеры, Луны - по одному и тому же типу. Но только в Луне маленькие давления, там  нет магнитного поля, там не произошла  металлизация. Это была неплохая идея, но потом прямой эксперимент доказал, что невозможно при таком давлении достигнуть нужной плотности, как в  центре земли. На это только железо способно, и не просто железо в обычной  модификации альфа-железо, а там  должна быть специальная, специфическая  кристаллохимическая структура, так называемая эпсилон-железо. То есть эта гипотеза рухнула.

 

2.2.5. Модель Цёпритца.

 

Ряд ученых полагали, что ядро Земли  настолько нагрето, что находится  в газообразном и, вместе с тем, в  твердом состоянии. По мнению немецкого  геофизика Цёпритца (1882), газообразное вещество, из которого состоит земное ядро, имеет такую же плотность, как абсолютно твердое тело, обладая при этом свойствами газов. Вокруг газообразного (и твердого) ядра, по утверждению Цёпритца, располагается оболочка диссоциированных газов, затем переходная оболочка от газов к жидкости, потом расплавленная масса и твердая кора. К сходным представлениям пришли шведский физик С. Аррениус (1900), русские геологи Ф.Ю. Левинсон-Лессинг (1902) и И.Д. Лукашевич (1908).

 

 

2.2.6. Модель Куна-Ритмана.

 

В 1941 году Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядро состоит из металлического водорода. Эта гипотеза не прошла экспериментальную проверку. Эксперименты по ударному сжатию показали, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, чем плотность ядра. Однако позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет гигантов в Юпитера, Сатурна и тому подобное. Сейчас предполагается, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре. 

2.2.7. Модель Кольцова.

 

Рис.3.Внутреннее строение планеты  Земля (вид со стороны Индийского океана). (И.Е.Кольцов,2009)

(http://cosmoforum.ucoz.ru/forum/7-140-4)

 

 

1. - ядро Земли с субъядром.
2. - рубашка ядра, связанная

с корой Земли,

3. - промежуточные спои,
4. - слои коры.

Внутреннее строение планеты Земля (вид со стороны Индийского океана) (по Кольцову И.Е.)

Очень интересна и оригинальна  модель малоизвестного учёного Кольцова И.Е., который выдвигает такую  гипотезу: «Наши исследования позволяют  высказать свой взгляд на внутреннее строение Земли. Ядро и субъядро находятся внутри объёмной питательной рубашки, имеющей воронкообразный рукав, который соединён с поверхностью корковой части Земли в районе западной части США (штат Невада, Скалистые горы). Вокруг питательной рубашки расположены промежуточные слои, каждый из которых тоже примыкает к поверхности Земли в районе Скалистых гор. Над промежуточными слоями находится трёхслойная кора Земли (базальтовый, гранитный и осадочный слои). Результаты известных из энциклопедии приборных исследований показывают, что при прохождении зондирующих сейсмических волн из промежуточной оболочки в ядро скорость продольных волн резко падает с 13,6 до 8,0 км/сек, что указывает на резкое различие свойств веществ. Прохождения поперечных волн через ядро не обнаружено. Последующие (уже наши) исследования показали, что плотность вещества внутри ядра составляет 2,2 г/см³. Средняя плотность (г/см³) промежуточных слоёв Земли равна менее 2, в нижнем слое коры - 6, в среднем - 4,5, в верхнем - 3,5. Температура внутри ядра, субъядра и в промежуточных слоях около300°С.»

Рис. 1.

 

2.2.8. Модель Гоха.

 

Академик МАФОБ, член кор. РАЕН, член кор. МАЭН, к.т.н., профессор

Гох Виталий Анатольевич предполагает что ядро образовалось на поздней стадии и состоит из 7 оболочек.

 

Работа путём сканирования ядра Земли с помощью квантового генератора и специальных тестовых приставок  дала возможность определить его  истинный диаметр и состав с сугубо инженерной точностью.

< f << f₁ < f₂ < f₃

Рис 4.Ядро Земли состоящее из 7 оболочек (В.А.Гох, 2008)

 (http://pyramid.org.ua/articles/83.html)

Так, ядро Земли состоит из семи оболочек, отличающихся одна от другой по толщине  и составу. Радиус ядра определяется в 2340-30 км. Наружная оболочка (толщиной прим. 430 км) представляет собой расплав алюмосиликатов с включениями графита, алмазов, рубиновых и других кристаллов. Следующая оболочка (толщиной прим. 220 км.) состоит из конгломерата различных расплавленных металлов, включая свинец, платину, золото, серебро, медь, никель, олово и других металлов. Толщина очередной оболочки составляет около 90м, и она состоит из расплавленного свинца. Следующая оболочка (толщиной прим. 360 км.) состоит из урана. Ещё глубже расположена оболочка из графита (толщиной 70 км.), выполняющего функцию замедлителя и отражателя нейтронов. Под этой оболочкой находится прим. 90-километровый слой инертных газов — зона конвективного теплообмена газовой части ядра. Центральная часть ядра состоит из лёгких газообразных элементов, участвующих в термоядерном синтезе и его продуктов (водород, дейтерий, тритий, углерод, литий, метан, гелий, азот, углекислота, кислород и др.) Толщина этой части ядра по радиусу составляет примерно 720 км. 

2.3.Этапы выделения и формирования  земного ядра.

 

Распад радиоактивных элементов  в катархее согревал Землю более или менее равномерно по всему ее объему. Зато разогрев земного вещества приливными деформациями был неравномерным и в основном происходил в верхних частях экваториального пояса Земли. Следовательно, и возникновение первой астеносферы в самом начале архея скорее всего произошло все в том же экваториальном поясе, на глубинах около 200-400 км, т.е. там, где геотерма разогревающейся Земли впервые достигла уровня начала плавления железа и силикатов.

Термодинамический расчет процесса зонной плавки мантии в молодой Земле  показывает, что этот процесс сопровождался  выделением значительной гравитационной энергии, которая тратилась на прогрев  земного вещества, подстилающего  слой расплавленного железа, на расплавление железа и его перегрев. Процесс  сепарации расплавленного железа от силикатов тем не менее не мог распространяться глубже некоторого предельного уровня, начиная с которого высвобождавшейся гравитационной энергии уже не хватало на прогрев нижележащего земного вещества до уровня плавления железа. Однако на глубинах, превышающих 860 км, помимо железа, стала выплавляться и окись железа FeO, концентрация которой в первичном веществе достигала 24%. Это придало новый импульс процессу зонной дифференциации Земли в архее.

Перегрев верхней мантии произошел  достаточно резко примерно через 200 млн лет после начала действия процесса зонной дифференциации металлического железа и сначала быстро возрастал. Снижение температуры мантии после первого максимума перегрева объясняется постепенным увеличением с глубиной разности температур плавления железа и земных недр на фронте зонной дифференциации. Второй же максимум перегрева мантии, прежде всего, был связан с вовлечением в процесс выплавления "ядерного" вещества окислов железа и начавшимся в позднем архее процессом формирования земного ядра (выжимания из центральных областей Земли ее первозданной сердцевины).

В связи со сравнительно низкой температурой глубинных областей первозданной Земли  вязкость вещества в ее недрах была исключительно высокой, глубже 1000 км превышала 10²⁷ П и резко возрастала с глубиной до Ю³⁵-Ю⁴⁰П в центре.

Развитие процесса зонной дифференциации земного вещества в архее привело  к возникновению резкой гравитационной неустойчивости планеты. Действительно, образовавшиеся благодаря зонной плавке плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси располагался тогда над более легким веществом  первозданной "сердцевиной" Земли (рис. 5). Ситуация гравитационной неустойчивости в Земле разрешилась путем выжимания первозданной земной "сердцевины" в экваториальном поясе одного из полушарий Земли и опускания тяжелых расплавов к центру Земли со стороны противоположного полушария, как это и показано на рис. 5.

Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черным показаны расплавы железа и его окислов, белым - деплетированная мантия, обедненная железом, его окислами и сидерофильными элементами; черточками - первичное земное вещество, радиальной штриховкой - континентальные массивы. (0,Г.Сорохтин,2007)

 

 

Процесс этот должен был развиваться  по нарастающему катастрофическому  сценарию, с образованием в конце концов у Земли плотного ядра. Объясняется это существенной неравномерностью прогрева молодой Земли. Действительно, после захвата Землей Протолуны, образования Луны и дальнейшей эволюции ее орбиты основная доля приливной энергии, а она была огромной - около (4-5) • 10 эрг, выделилась преимущественно в верхних слоях Земли и в ее экваториальном кольцевом секторе. В результате Земля в низких широтах оказалась разогретой в заметно большей мере, чем в полярных секторах. Поэтому первая астеносфера и связанная с ней зона сепарации железа должны были возникнуть именно под экваториальным поясом нашей планеты. Это привело к тому, что в течение всего архея зонная дифференциация земного вещества развивалась в мантии только под низкими и умеренными широтами Земли (рис. 5) этом же экваториальном поясе возникли и все древнейшие архейские континентальные щиты и платформы.