Ядро Земли

Ядро Земли - внутренняя геосфера диаметром 3470 км, расположенная на средней глубине около 2900 км; разделяется на твердое внутреннее ядро диаметром около 1300 км и жидкое внешнее ядро мощностью около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Масса ядра - 1,932 10²⁴ кг.

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 фантасты уже несколько раз в подробностях описали путешествия к ядру Земли и несметные богатства там таящиеся. Надежда на сокровища ядра имеет под собой некоторые основания, так как согласно современным геохимическим моделям в ядре относительно велико содержание благородных металлов и других ценных элементов.

История изучения

Вероятно одним из первых предположение о существовании внутри Земли области повышенной плотности высказал Генри Кавендиш, который вычислил массу и среднюю плотность Земли и установил, что она значительно больше, чем плотность характерная для пород выходящих на земную поверхность.

Существование было доказано в 1897 немецким сейсмологом Э. Вихертом, а глубина залегания (2900 км) определена в 1910 американским геофизиком Б. Гутенбергом.

Основоположник геохимии В. М. Гольдшмидт в 1922 году предположил, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже.

Альтернативную гипотезу, что железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке, развивали немецкий учёный А. Эйкен (1944), американский учёный Э. Орован и советский учёный А. П. Виноградов (60-70-е гг.).

В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре 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 эта гипотеза позже эта гипотеза была адаптирована для объяснения строения планет гигантов - Юпитера, Сатурна и тп. Сейчас предполагается, что их магнитное поле возникает именно в металлическом водородном ядре.

Кроме того В. Н. Лодочников и У. Рамзей предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1.36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро).

Состав ядра

Состав ядра непосредственно не известен, и может быть предположительно оценён из нескольких источников. Во-первых, видимо, наиболее близкими веществу ядра образцами являются железные метеориты, которые, представляют собой фрагменты ядер астероидов и протопланет. Однако железные метеориты не могут быть полностью эквивалентны веществу земного ядра, так как они образовались в гораздо меньших телах, а значит при других физико-химических параметрах.

С другой стороны из данных гравиметрии известна плотность ядра, и это накладывает на его состав дополнительные ограничения. Так как плотность ядра примерно на 10% меньше, чем плотность сплавов железо-никель, то предполагается, что ядро Земли содержит больше легких элементов, чем железные метеориты.

Наконец состав ядра можно оценить исходя из геохимических соображений. Если мы каким либо рассчитаем первичный состав Земли и вычислим какая доля элементов находится в других геосферах, то тем самым могут быть построены оценки состава ядра. Большую помощь в таких вычислениях оказывают высокотемпературные и высокобарические эксперименты по распределению элементов между расплавленным железом и силикатными фазами.

Химический состав ядра.

Источник	Si, wt.%	Fe, wt.%	Ni, wt.%	S, wt.%	O, wt%	Mn, ppm	Cr, ppm	Co,ppm	P, ppm
Allegre et al., 1995	7.35	79.39	4.87	2.30	4.10	5820	7790	2530	3690
Mc Donough 2003	6.0	85.5	5.20	1.90	0	300	9000	2500	2000

Образование ядра

Время формирования ядра

Образование ядра является одним из ключевых моментов истории Земли. Для определения возраста ядра были использованы следующие соображения:

в веществе, из которого образовалась Земля, был изотоп ¹⁸²Hf, который с периодом полураспада 9 миллионов лет превращается в изотоп ¹⁸²W. Гафний является литофильным элементом, то есть при разделении первичного вещества Земли на силикатную и металлическую фазы он предпочтительно концентрировался в силикатной фазе, а вольфрам - сидерофильный элемент, и концентрировался в металлической фазе. В металлическом ядре Земли отношение Hf/W близко к нулю, тогда как в силикатной оболочке это отношение около 15.
Из анализа не фракционированных хондритов и железных метеоритов известно первичное соотношение изотопов гафния и вольфрама.
Если ядро образовалось через время много большее, чем период полураспада ¹⁸²Hf, то он бы успел почти полностью превратиться в ¹⁸²W, и изотопный состав вольфрама в силикатной части Земли и её ядре был бы одинаковый, такой же как в хондритах.
Если ядро формировалось пока ¹⁸²Hf ещё не распался, то силикатная оболочка Земли должна содержать некоторый избыток ¹⁸²W по сравнению с хондритами, что реально и наблюдается.

Основываясь на этой модели можно рассчитать время разделения металлической и силикатной части Земли. Расчёты показали (см. Jacobsen, 2005), что ядро сформировалось за время меньше 30 миллионов лет, с момента образования появления в Солнечной Системе первых твёрдых частиц, CAI.

Аналогичные расчеты можно сделать для металлических метеоритов, которые являются фрагментами ядер мелких планетарных тел. Оказалось, что в них формирования ядра происходило значительно быстрее, за время порядка нескольких миллионов лет.

Теория Сорохтина и Ушакова

Описанная модель не является единственной. Так по модели Сорохтина и Ушакова, изложенной в книге "Развитие Земли" процесс формирования земного ядра растянулся приблизительно на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад). По мнению авторов образование ядра происходило в два этапа. Сначала планеты была холодной, и в её глубинах не происходило никаких движений. Затем она прогрелось радиоактивным распадом достаточно для того, чтобы начало плавиться металлическое железо. Оно стало стекаться к центру земли, при этом за счет гравитационной дифференциации выделялось большое количество тепла, и процесс отделения ядра только ускорялся. Этот процесс шел только до некоторой глубины, ниже которой вещество было такое вязкое, что железо погружаться уже не могло. В результате образовался плотный (тяжелый) кольцевой слой расплавленного железа и его окиси. Он располагался над более легким веществом первозданной “сердцевины” Земли.

Затем произошло выдавливание силикатного вещества из центра Земли, причем оно было выдавлено на экваторе и тем самым дало начало асимметрии планеты.

Механизм формирования ядра

Об механизме образования ядра известно очень мало. Согласно различным оценкам формирование ядра происходило при давлениях и температурах близких, тем какие сейчас в верхней и средней мантии, а не в планетозималях и астероидах. Это не значит, что акреция земли происходила из не дифференцированного вещества. Просто при акреции происходила его новая гомогенизация.

Литература

Петрографический словарь, В. Рыка, А.Малишевская, М:"Недра", 1989
Allegre, C.J., Poirier, J.P., Humler, E. and Hofmann, A.W. (1995). The Chemical-Composition of the Earth. Earth and Planetary Science Letters 134(3-4): 515-526. doi: 10.1016/0012-821X(95)00123-T.
Treatise on Geochemistry, 2003, Volume 2 The Mantle and Core:
- Partition Coefficients at High Pressure and Temperature K. Righter and M. J. Drake
- Experimental Constraints on Core Composition J. Li
- Compositional Model for the Earth's Core W. F. Mc Donough.
Jacobsen S.B. (2005). The Hf-W isotopic system and the origin of the Earth and Moon. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2005. 33:18.1–18.40.