История Земли

Вычтя из суммарного тепловыделения суммарные теплопотери, мы убеждаемся, что за всю историю Земли внутри нее накопилось около 2·1038 эрг тепла, что привело к разогреву, а частично и к плавлению земных недр. Приняв для скрытой теплоты плавления «ядерного» вещества оценку 70 кал., как для железа, убеждаемся, что на расплавление слоя Е (внешнего слоя ядра), имеющего массу 1.78·1027 г, затрачено всего только 5·2036 эрг. Следовательно, практически все накопившееся тепло ушло на повышение температуры земных недр. Если разогреть Землю на всех глубинах до температуры плавления, то, согласно Е. А. Любимовой [12], внутренняя энергия будет не меньше 3.2·1038 эрг.

Указанного выше накопленного тепла (2·1038 эрг) для этого не хватает, если только начальная внутренняя энергия Земли в момент ее образования не превосходила 1.2·1038 эрг. При средней теплоемкости земного вещества 0.3 кал./г·град, это означает, что средняя по массе начальная температура земных недр не должна была превосходить 1600°. Фактически она, по-видимому, не превышала 1200° (см. работу В. С. Сафронова [21]). Из этого следует, что Земля никогда не была полностью расплавленной.

Однако частичное плавление происходило - оно произошло в слое Е и могло происходить в некоторых зонах мантии, особенно на первых этапах истории Земли, когда радиоактивных веществ было больше и они были распределены в недрах Земли более равномерно, а отвод тепла наружу через неподвижное вещество происходил крайне медленно. Наиболее эффективным механизмом отвода тепла наружу в таких условиях могла быть зонная плавка

, рассмотренная А. П. Виноградовым и осуществленная им экспериментально на веществе метеоритов.

Механизм зонной плавки и вместе с тем один из возможных механизмов движения легких (точнее, легкоплавких) веществ вверх и тяжелых вниз, т. е. гравитационной дифференциации веществ, заключается в следующем. Скорость роста с глубиной температуры плавления вещества мантии, имеющая значения около 3° на 1 км, значительно превышает скорость роста температуры опускающихся вниз веществ, создаваемого их сжатием из-за роста давления, имеющую значения около 0.5° на 1 км (это-так называемый адиабатический градиент температуры). Поэтому в образующейся расплавленной зоне верхние слои расплава оказываются плотнее нижних, и в расплаве возникает вертикальное перемешивание (конвекция) - более плотные вещества опускаются вниз, а менее плотные всплывают вверх. Поднявшееся вверх вещество оказывается перегретым, оно подогревает и плавит кровлю, а опустившееся вниз вещество оказывается переохлажденным и выпадает из расплава на дно расплавленной зоны. Поэтому и верхняя, и нижняя границы расплавленной зоны двигаются вверх (верхняя - медленнее из-за затрат части тепла на подогрев кровли), пока зона не «захлопнется» или не выйдет к охлаждающейся сверху литосфере, создавая широко распространенный вулканизм (не таково ли происхождение астеносферы?).

При движении расплавленной зоны вверх расплав все время обогащается легкоплавкими веществами, так как тугоплавкие вещества первыми выпадают из расплава на дне зоны, а слишком тугоплавкие вообще не плавятся. Поэтому вынос тепла из недр Земли при зонной плавке сопровождается разделением тугоплавких веществ (железо, никель, кобальт, хром, магний и др.), смещающихся вниз, и легкоплавких веществ (щелочных, щелочноземельных, литофильных, включая U, Th и К), а также легколетучих (таких как Н2O, НСl, HF, NH3 и т. п.), смещающихся вверх.

Вероятно, процессы образования расплавленной зоны и ее продвижения вверх могли повторяться неоднократно, каждый раз несколько иначе, так как распределение ряда веществ по глубинам при зонной плавке со временем изменяется (в частности, радиоактивные источники тепла поднимаются вверх, а их суммарная мощность со временем уменьшается).

В математической модели зонного плавления Земли, рассчитанной А. Н. Тихоновым, Е. А. Любимовой и В. К. Власовым [22] (правда, без расчета дифференциации легкоплавких и тугоплавких веществ, но с задававшимся изменением со временем распределения источников тепла), расплавленные зоны возникали в верхнем 500-километровом слое Земли многократно, в зависимости от отношения коэффициентов теплопроводности в расплаве и в твердом веществе - до 13-20 раз, через промежутки времени около 170-100 млн. лет такой же длительности, как эры между тектоно-магматическими эпохами (рис. 13).

Рис. 13. Многократные зонные плавки верхней мантии Земли по одной из моделей А. Н. Тихонова, Е. А. Любимовой и В. К. Власова [22] при коэффициентах теплопроводности в твердом веществе 0.07 и в расплавленном 0.1 кал./см ⋅ сек. ⋅ град.