Ядро-мантийная дифференциация - Core–mantle differentiation

Гипотетические процессы дифференциации ядра и мантии: перколяция, дайкинг и диапиризм. После Rubie et al. (2015).
Альтернативная модель дифференциации ядра и мантии: I. Слой расплавленного железа между протомантией и первичным ядром. II. Первичное растрескивание ядра. III. Первоначальные фрагменты ядра. IV. Поднимаются Рокберги, и железо образует новое ядро. По Стивенсону (1981).

Дифференциация ядро-мантия - это набор процессов, которые имели место во время стадии аккреции в эволюции Земли (или, в более общем смысле, каменистых планет ), что приводит к разделению богатых железом материалов, которые в конечном итоге образуют металлическое ядро , окруженное каменистыми слоями. мантия . Согласно модели Сафронова, 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 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. На основе этих вероятных сценариев было предложено несколько моделей для объяснения дифференциации ядра и мантии после стадии формирования туманностей в Солнечной системе . 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.

Перколяция

В предположении твердой смеси 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.

Гипотеза перколяции предполагает, что кристаллы в мантии не имеют предпочтительной ориентации. Аналогичным образом, для перколяции требуется, чтобы двугранный угол между расплавом и кристаллами составлял менее 60 градусов для сохранения связности. Однако измерения на поверхности показывают, что двугранный угол часто превышает 60 градусов, тем самым ограничивая возникновение перколяции, хотя неясно, может ли он быть меньше 60 градусов в нижней мантии. Следы железа в верхней мантии не наблюдались , чего можно было бы ожидать, если бы там преобладала перколяция. 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.

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. 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. Как только и камень, и металл расплавлены, легко происходит разделение, обусловленное контрастом плотности. Модели предполагают, что плавление могло произойти, как только радиус планеты стал бы от ~ 2000 до 3000 км. Аналогичным образом, некоторые модели предсказывают появление океанов магмы на глубинах до 300 км. Нижняя мантия, возможно, никогда не была полностью расплавлена, потому что ее температура плавления повышается со скоростью 1 Кельвин / км. 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. 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.

Капли железа в магматическом океане существовали разных размеров в зависимости от размера тел, падающих на Землю. В расплавленном состоянии большие тела имеют тенденцию разрушаться, тогда как маленькие тела имеют тенденцию сливаться. Равновесие определяется числом Вебера, которое дает среднее значение для расчета стабилизированного диаметра капель жидкого железа, который соответствует 10 см. После образования капель железа они отделяются от окружающих силикатов и выпадают в осадок в виде « дождя ».

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. Считается, что этот механизм напоминает солевые диапиры . Однако, несмотря на то, что мантия, лежащая под океаном магмы, не является хрупкой, согласно некоторым исследованиям, возможно, что разницы в вязкости между железными прудами и мантией было достаточно, чтобы позволить образование даек, а не диапиров. В сегодняшних условиях железная обваловка была разработана как жизнеспособная стратегия для отправки зонда для изучения недр Земли.

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 конвекционный поток, вызванный ударами. Начиная с этого этапа, скопления железа, вызванные неустойчивостью Рэлея-Тейлора, мигрировали через первичное ядро ​​в течение длительного процесса (сотни миллионов лет).

Натурщица 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.

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, в то время как сплав железа осел в центре Земли. Этот процесс будет происходить быстрее, чем в двух упомянутых выше моделях.

использованная литература

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m "Формирование ядра Земли" (PDF) .
  2. ^ а б в г д Стивенсон, DJ (1981). «Модели ядра Земли». Наука . 214 : 611–619. DOI : 10.1126 / science.214.4521.611 .
  3. ^ Сафронов, VS (1972). Эволюция протопланетного облака и формирование Земли и планет . Программа научных переводов Израиля. п. 182.
  4. ^ а б Шарков Е.В. (2015). «Проблема эволюции ядра Земли: геологические, петрологические и палеомагнитные данные». Доклады наук о Земле . 462 : 346–351.
  5. ^ Б с д е е г Karato, Shun-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 .
  6. ^ a b Стивенсон, DJ (1990). Происхождение земли . Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. С. 87–88. ISBN 9780195066197.
  7. ^ a b c d e Бадро, Джеймс (2015). Ранняя Земля: аккреция и дифференциация . Американский геофизический союз. п. 86.
  8. ^ Тонкс, У. Брайан (1993). «Образование океана магмы в результате гигантских ударов». Журнал геофизических исследований . 98 : 5319–5333. DOI : 10.1029 / 92je02726 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ Стивенсон, Дэвид Дж. (2003). «Миссия к ядру Земли - скромное предложение». Природа . 423 : 239–240. DOI : 10.1038 / 423239a .
  11. ^ Эльзассер, WM (1963). «Ранняя история Земли». Науки о Земле и метеоритика : 1–30.
  12. ↑ Витязев, А.В. (1976). «Модель ранней эволюции Земли». Известия АН СССР. Физика твердой земли . 2 : 3–12.