Природа космических тел Солнечной системы

Геосферы пород мантии

Гипотеза 38

Плотности пород имеют корреляцию с плотностями составляющих их атомов [Тимофеев, 2015а, Тимофеев, 2015б], (рис. 27).

Рис. 27. Корреляция плотности атомов и плотности их окислов

Зная плотности атомов элементов, можно в определенной степени оценить, на каких глубинах находятся породы, в которых эти элементы преобладают.

В мантии Земли плотность пород увеличивается с увеличением глубины. Это определено геофизическими исследованиями по скоростям распространения сейсмических волн. Очевидно, что породы с нарастанием глубины состоят из атомов, обладающих более высокой плотностью, хотя зависимость эта имеет отклонения за счет разных полиморфных форм, а также разных химических соединений. Плотности атомов основных пород мантии Земли, по мере возрастания показана таблице 10. В таблице также показано содержание элементов в массовых процентах [Тимофеев, 2013б]. В мантии находятся преимущественно 47 элементов от лития до цинка, что рассчитано из известных масс ядра Земли и мантии и содержания элементов в Земле. Элементы находятся, как правило, в виде химических соединений, и расположены приблизительно в порядке увеличения атомных масс [Тимофеев, 2013г].

О наличии в мантии Земли геосфер из пород разных элементов говорит ряд фактов:

– в лавах камчатских вулканов с увеличением глубины магматических очагов возрастает содержание калия [Мархинин, 1980], что показывает возможность геосферы калия на близко залегающих глубинах;

– на томограммах Биджварда [Bijwaard,1998] наглядно видна ступенчатая картина поднявшихся масс.

Ступени можно объяснить границами раздела геосфер (рис.28, 1). На обоих томограммах, например, отчетливо просматривается на глубине 1400—2000 км мощный слой, который можно идентифицировать как слой соединений железа (рис. 28, 2), определенный расчетным путем в работе [Тимофеев, 2013].

Рис. 28. Томограммы мантии Земли: 1 – границы геосфер мантии Земли; 2 – мощная геосфера соединений железа

За время существования Земли происходила сепарация более тяжелых пород, что в некоторых случаях происходит даже в твердом состоянии как, например, всплытие масс соли диапиров. По массовому содержанию в мантии преобладают 11 элементов (К, Ca, Rb, Ar, Sr, Kr, Ba, Si, Zr, Fe, Zn). Из минералов на основе этих элементов в мантии Земли, вероятно, имеются 11 геосфер. Инертные газы Ar, Kr, не образующие минералов в условиях коры Земли, в условиях мантии создают твердые соединения [Тимофеев, 2013б.], что позволяет предполагать наличие целых геосфер, где породообразующим элементом они являются. Возможно, существуют сборные геосферы из элементов с близкими плотностями атомов V, P, Pr, Yb, Ce, Nd, Cr, на 10 уровне и Sm, Mn, C, Co, Gd, Tb, Cu, S, Er на 12 уровне. В сумме можно приближенно считать, что мантия имеет 13 главных геосфер толщиной более 100 км (рис. 29). Элементы в геосферах, как правило, находятся в виде ковалентных и ионных химических соединений с неметаллами Si, C, Cl, H, N, O, F, S, Br, J. Элементы, имеющие малое содержание в мантии Земли, или входят в состав минералов породообразующих элементов, или образуют тонкие пласты своих минералов на горизонтах соответствующих их плотностям.

Рис. 29. Теоретическое расположение породообразующих элементов в геосферах мантии Земли

Картина процессов в мантии Земли показана на рис. 30.

Лава магматического очага, расположенного на большей глубине (в центре Африки вулкан Ньирагонго), содержит много (около 35%) окиси кальция, что, показывает расположение вулканического очага в геосфере соединения кальция (рис. 30, поз. 9).

Рис. 30. Основные процессы в мантии земли (выделенное линией – - – увеличено):

1 – массивы всплывающего очищенного дистиллированного (деплетированного) вещества ядра Земли; 2 – коренные породы мантии; 3 – зона распада вещества мантии; 4 – поднятие газов из зоны распада; 5 – скопление силановой нефти (астеносфера); 6 – скопление силановой нефти под океанами; 7 – корень континента; 8 – проекции фокусов землетрясений 1965 – 1968 гг в петропавловском секторе Камчатки на плоскость перпендикулярную Камчатскому желобу, по С. А. Федотову [Федотов, Токарев, 1971]; 9 – континентальный вулкан (Ньирагонго); 10 – утолщение коры Земли, зона синтеза базальта; 11 – интенсивное утолщение коры Земли в горных районах; 12 – скопление нитронефти; 13 – залежи углеводородов; 14 залежи карбонатов и рудных тел; 15 – выход воды, азота, углекислого газа; 16 – поднятие силановой нефти внутри континента в зоне разлома

Ядро после распада соединений полностью очистилось от легких элементов. Элементы с плотностью атомов меньше, чем у цинка, всплыли из ядра Земли с образованием грандиозных массивов дистиллированной (деплетированной) породы океанической мантии из чистых химических соединений (рис. 30, 1). Эти всплывшие массы были обнаружены по аномалиям скоростей [Павленкова, 2011], что отличает их от имеющих примеси, коренных пород мантии (рис. 30, 2). В коренных породах мантии в виде примесей в химически связанном состоянии, находится и небольшое количество тяжелых элементов, из которых состоит ядро Земли. Незначительное содержание тяжелых элементов в мантии определяет незначительное содержание их в коре. Это создает иллюзию малого содержания их во всей Земле, что является неправильным представлением.

Зона разложения пород и синтеза подвижных соединений

Гипотеза 39

На границе между мантией и ядром Земли находится зона разложения пород. Элементы С, N, O, S, H имеют с породообразующими элементами соединения с разной прочностью связей. В слое, прилегающем к ядру Земли, где температура выше, в твердом состоянии могут находиться соединения углерода (карбиды, ацетилениды), температуры плавления и разложения которых наиболее высоки. Далее от ядра элементы могут находиться как в виде карбидов, так и в виде нитридов и азидов. Еще выше, помимо соединений углерода и азота, могут находиться, не разлагаясь, окислы. В верхней части нижней мантии, где температуры ниже, не разлагаясь, помимо соединений углерода, азота, кислорода, могут быть также соединения водорода (гидриды) а также хлора, фтора, брома, йода и серы. Такая последовательность подтверждается, например, температурами плавления соединений V, Nb, Sb. Температуры плавления карбидов составляют 2800—3800оС, нитридов 2050—2300оС, окислов 1495—1970оС. От теплового воздействия ядра Земли постоянно происходит разложение соединений нижней мантии. Например, разложение карбида золота пойдет по следующей реакции:

Au2C2→Au↓+C↑

В результате этого разложения выделившееся золото (плотность 19.3 г/см3) погрузится в ядро Земли, а углерод (плотность в состоянии алмаза 3.5 г/см3) будет подниматься.

Выше, в слое мантии, где могут залегать соединения азота, происходит разложение нитридов и азидов, например, по реакции:

Cu (N3) 2→Cu+3N2↑

Выше происходит разложение окислов, например, по реакции:

2СdO→2Cd+O2↑

Выше, происходит разложение гидридов, например, по реакции:

TiH2→Ti+H2↑

Аналогично разлагаются соединения галогенов и серы.

Выделившиеся газообразные элементы при поднятии или взаимодействуют с породами, или, проходя через все вышележащие слои Земли, выходят на поверхность.

По мере поднятия подвижных соединений нитриды в пластах трансформируются в карбиды, окислы в нитриды, гидриды в окислы по реакциям:

2Cu (N3) 2 +2С →Cu2С2+6N2↑

6СdO +2N2→2Cd3N2 +3O2↑

TiH2 +O2→TiO2+H2↑

Таким образом, фронт нижней мантии из карбидов, нитридов, окислов, гидридов, по мере разложения нижней поверхности мантии температурным воздействием ядра, перемещается вверх к коре Земли.

В нижней мантии при разложении пород выделяются Cl2, H2, N2, С, O2, F2, S, J, Br, образующие подвижные соединения с высоким изобарным потенциалом: NO, N2O, N2O4, Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, ClN3 Cl3N, J3N, FN3, N2O5, NO2, N2O3, NH3, O3, N2H4, C2H2, C4N2, C2N2, а также, радикалы HO+, CN, CH, например, по реакциям:

N2+2O2↔2NO2

2Cl2+O2↔2Cl2O

N2+2H2↔N2H4

Все реакции обратимы, однако, в этих условиях высокого давления и высоких температур равновесие смещено в сторону конечных продуктов из-за их высокого изобарного потенциала. Подобный синтез окислов азота, например, происходит в условиях повышенного давления в цилиндрах двигателей автомобилей.

Число видов соединений с поднятием температуры уменьшается и доходит до совершенно небольшого перечня веществ, состоящих из низкомолекулярных соединений с максимальными энергиями связей. Такое состояние преобладает в мантии ближе к ядру, где температуры для мантии максимальны. В верхней мантии, где температуры ниже, реакции крекинга не так сильны, соединения имеют больший молекулярный вес, разнообразие соединений намного шире.

Природа образования веществ деплетированной мантии и веществ корней континентов

Гипотеза 40

Структуры верхней мантии континентов и океанов принципиально отличаются. Континентальные аномалии высоких сейсмических скоростей простираются до глубины 300—400 км. Состав мантии континентов и океанов различен, по этой причине мантия под океанами стала называться деплетированной [Павленкова, 2011] (рис. 23. 1). Состав деплетированного океанического мантийного вещества обеднен электроположительными элементами (U, Th, К, Rb, Cs, Sr, Ва, Be и др.) и легкими редкоземельными элементами (La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm). Для деплетированной мантии характерны пониженные значения изотопных соотношений Pb206/Pb204 и Sr87/Sr86 и повышенные – Nd143/Nd144. Такие выводы о составе океанической мантии сделаны по результатам изучения базальтов срединно-океанических хребтов [Zindler, Hart, 1986]. Это различие требовало объяснения. Предлагается следующее объяснение этого отличия. Вещество мантии континентов меньше подверглось трансформации в ходе исторического изменения ее состава. Оно образовалось путем длительной сепарации реликтового космического вещества, из которого сформировалась планета 4.5 миллиарда лет назад. В процессе сепарации значительный процент примесей сохранился в составе вещества мантии. Поскольку это вещество не подвергалось значительному нагреванию, в нем сохранилось некоторое количество примесей тяжелых элементов в виде сложных химических соединений, имеющих в совокупности с другими элементами значения плотностей, позволявших им удерживаться на их горизонтах мантии. Деплетированное вещество океанической мантии образовалось в первую очередь из фракций ядра Земли при условиях более мощного температурного воздействия. Эта фракция вещества, имеющего сравнительно малую плотность атомов, исторически оказалась в составе ядра Земли при формировании ее массы из космического реликтового пепла 4.5 миллиарда лет назад. При разогреве ядра до состояния раскаленных газов эти вещества распались до атомарного состояния, по этой причине сепарировались на отдельные элементы, чем очистились от всех примесей и затем, как более лёгкие, всплыли из ядра в мантийное пространство. Здесь вновь при взаимодействиях образовали те же породы, что породы континентальной мантии, но уже без примесей, поскольку примеси тяжелых атомов остались в ядре, а более легких образовали отдельные фракции. Кроме как из реликтового вещества ядра, значительная часть деплетированного вещества образовалась при разложении пород нижней мантии теплом раскаленного ядра Земли. Постепенно нижняя поверхность мантии разлагается от тепла ядра и переходит в состояние веществ из атомарных газов. При этом фракция элементов с малой плотностью атомов не попадает в ядро, а поскольку имеет плотность меньше плотности мантийного вещества на этом горизонте, поднимается в более высокие мантийные сферы. Преобразование вновь образованных веществ в те же породы, что и континентальные объясняется примерно одинаковыми условиями по давлениям и температурам в мантийном пространстве под континентами и океанами. Таким образом, деплетированное вещество океанической мантии – это легкая фракция дистиллированного в ядре Земли (перегнанного) вещества космического пепла.

Разница в изотопных соотношениях (пониженные значения Pb206/Pb204 и Sr87/Sr86 и повышенные – Nd143/Nd144) объясняется тем, что новое дистиллированное вещество содержит изотопы не только образованные в процессе зарождения Солнечной системы (при нейтронном взрыве 4.5 миллиарда лет назад), но и продукты ядерных реакций в ядре Земли, образующиеся по иному механизму. Другим следствием такого представления является то, что континенты и их, как принято считать, корни являются едиными массивами пород, имеющих более древнее и менее трансформированное вещество космического пепла, разъединённое при расширении Земли и плавающее в среде вновь образованного вещества океанической мантии из дистиллированных очищенных пород.

Образование в глубинах Земли подвижного вещества— «силановой нефти»

Гипотеза (концепция) 41

Кора Земли должна состоять из пород на основе самых легких элементов: Na, K, Ca, Mg. Однако исследования показали более сложный состав коры Земли: O 49.8%, Si 26.9%, Al 7.2%, Fe 3.87%, Ca 3.7%, K 2.1%, Na 2%, Mg 1.7%, C 0.77%, H 0.7%, Cl 0.24%, S 0.14%, N 0.002% остальные 0.251%, [Григорьев,2009], что требовало объяснения. Нахождение в коре Земли неметаллов H, O, N, S, Cl, B, F объясняется просто – они создают в условиях мантии рыхлые неплотные вещества с ковалентными связями, поэтому всплывают. А вот как всплыли довольно плотные Si, Al, Fe? Подсказку нам дает углерод. Он поднимается в виде углеводородов. В верхних слоях это в большой степени гомологи метана – СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10, С5Н12…, но кремний – аналог углерода, и создает аналогичные соединения. Всем известны кремниевые полимеры, резины, масла, клеи. Создает кремний и аналогичные соединения с водородом. Аналог метана СН4, газ силан SiH4, температура кипения -111.8°С. (у метана температура кипения -164°С). Как у метана, у силана есть ряд гомологов Si2H6, Si3H8, Si4H10, Si5H12, Si6H14…Была выдвинута гипотеза, по которой кремний в глубинах Земли находится в стабильном состоянии в виде силанов [Тимофеев,2015а]. Нахождение элементов в виде тех или иных соединений, в соответствии с законами химической термодинамики, определяется их своеобразным параметром изобарными потенциалами. Чем больше значение изобарного потенциала вещества, тем стабильней это вещество в условиях высокого давления и высокой температуры. Сходные по структуре вещества с близкими изобарными потенциалами должны быть стабильны в аналогичных условиях по температуре и давлению. Сравнительные изобарные потенциалы соединений углерода и кремния (рис. 31).

Рис. 31. Сравнительные изобарные потенциалы соединений углерода и кремния

На рисунке видно, что по значению изобарных потенциалов двуокись углерода сходна с двуокисью кремния, а метан сходен с силаном, что говорит о том, что в условиях стабильного нахождения углерода в виде метана кремний находится в стабильном состоянии силана. Большое положительное значение изобарного потенциала силана однозначно показывает на нахождение кремния в состоянии гидридов в мантии Земли, где температура высокая. На поверхности Земли силаны находиться не могут, поскольку самовозгораются или взрываются в контакте с атмосферой, а также реагируют с водой. В глубинах Земли силаны вполне стабильны и находятся в виде крупных месторождений. Подвижное вещество, находящееся в глубинах Земли, основным составляющим которого являются силаны получило название силановая нефть [Тимофеев, 2015а]. В составе силановой нефти также находятся растворённые соединения железа, алюминия, марганца, углерода и других элементов, встречающихся в коре Земли.

Более подробно про изобарные потенциалы написано в главе 11.

Вся кора Земли образовалась из силановой нефти и пород лёгких элементов

Гипотеза (концепция) 42

Самые лёгкие элементы Na, K, Ca, Mg очень активны и сразу после образования в результате ядерных реакций ещё в космическом облаке пыли и газов вступили в взаимодействие с кислородом и галогенами. В таком виде они попали в состав образовавшейся Земли, а затем всплыли в её верхние слои в виде соединений, например, Na2O2, K2O2, СаО, СаО2, MgO, что показано на рисунке 12б. Со временем в глубинах Земли стала образовываться и выходить на поверхность силановая нефть. Взаимодействуя с лёгкими породами, произошло образование существующей структуры поверхности. Кора Земли, океаны и атмосфера образованы в результате реакций взаимодействия поднявшейся силановой нефти с элементами легких пород верхней мантии натрием, калием, кальцием магнием. Под корой Земли ещё сохранились остатки непрореагировавшей с силановой нефтью лёгкой породы, которая может быть там обнаружена. Так в результате извержения вулкана Ньирагонго в Африке на поверхность поднимается лава из расплавленной окиси кальция. Состав коры Земли, где отдельно выделены лёгкие элементы и отдельно элементы состава силановой нефти показан на (рис. 25).

Рис. 25. Состав коры Земли

Выделенный участок диаграммы – это элементы, изначально поднявшиеся к поверхности в архее в результате первичной сепарации (рис. 12б), окиси, перекиси и соли Na, K, Ca, Mg. Основная, большая часть диаграммы – элементы силановой нефти, которая начала подниматься позже, примерно 600 миллионов лет назад, и ее поднятие продолжается в настоящее время. Половина состава силановой нефти приходится на кислород. В состав силановой нефти в количестве около 1% входит нитронефть, из которой при поднятии образуются углеводороды [Тимофеев, 2011в]. Силановая нефть в мантии находится в виде раскаленных газов под большим давлением, а в жидкое состояние ряд компонентов могут перейти только при охлаждении до нормальной температуры. Количество элементов силановой нефти, поднявшихся из мантии в кору Земли, за всю ее историю в килограммах и массовых процентах (таблица 11). (некоторые элементы показаны в виде соединений).

Схема образования силановой нефти (рис. 33).

Рис. 33. Схема образования силановой нефти и трансформации ее в минералы коры Земли

Изгнанные в результате перестановки из ядра Земли элементы: кислород, водород, азот, хлор, сера, фтор, поднимаются к коре, экстрагируя из мантии ряд других элементов. Легче всего в подвижную фазу переходят кремний, алюминий, железо, углерод, создавая жидкие соединения, например, силан SiH4 (газ Ткип. – 112°С), дисилан Si2H6 (газ Т кип. -15°С), пентакарбонил железа Fe (CO) 5 (жидкость плотностью 1.46 г/см3 Тпл. -20°С), триметил алюминия Al (CH3) 3 (жидкость плотностью 0.752 г/см3, Тпл. 15°С). Ряд элементов Мo, Zn, Cr, Pb, Th, U, Ag, Au, Pt, Os, Re… растворяются в подвижной фазе хуже, и концентрация их в коре меньше. Совокупность этих соединений, названая силановой нефтью [Тимофеев,2015а], собирается в верхней мантии и наблюдается как линзы астеносферы.

В качестве аргументов, подтверждающих существование силановой нефти, можно назвать следующие:

1. Силаны Si2H6, Si3H8, Si4H10, Si5H12, Si6H14 – реальные существующие химические соединения, аналоги углеводородов СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10, С5Н12…

2. Изобарный потенциал силана высокий, даже выше, чем у метана, что показывает на нахождение кремния в горячей мантии Земли в состоянии силанов.

3. Концепция силановой нефти объясняет появление в коре Земли более тяжелых элементов чем литий, натрий, калий, кальций, магний, таких как Si 26.9%, Al 7.2%, Fe 3.87%, рудообразующих.

4. Концепция силановой нефти объясняет картину вулканических явлений, черных курильщиков, а также землетрясений, в том числе континентальных.

5. Концепция силановой нефти объясняет природу каменных трубчатых образований в Учкудукском районе Узбекистана.

6. Концепция силановой нефти доказывается и рядом реальных аварий при бурении скважин. Так, на Кольской СГ-3, начиная с 5—7 км, происходило оплавление бурового инструмента. Позже произошел взрыв, вероятно, водорода, который мог образоваться при взаимодействии в скважине силановой нефти с бурильным водным раствором.

7. Концепция силановой нефти объясняет механизм образования силикатных пород. Они получаются подобно стеклу и керамике при сплавлении оксида кремния с соединениями Na, K, Ca, Mg в верхней мантии Земли на границе Мохоровича.

8. Концепция соответствует результатам геофизических исследований, показывающих слабые зоны в глубинах Земли, названные астеносферой, что можно объяснить скоплениями силановой нефти.

Соединения силановой нефти в мантии Земли находятся в газовой фазе, поскольку температуры здесь высокие, но плотность ее близка к плотности окружающих пород из-за высокого давления. В астеносфере массы ее могут находиться в виде больших скоплений. Нет оснований считать, что все компоненты силановой нефти находятся в виде гомогенной смеси. Силановая нефть – это десятки видов подвижных соединений, самостоятельно залегающие или перемещающиеся в виде отдельных фракций, в некоторых случаях смешиваясь между собой. Такое предположение соответствует закону Кричевского—Большакова, по которому все газы в условиях высокого давления и температуры выше критической разделяются с образованием границ раздела. Разделение силановой нефти в газовой фазе на фракции из разных химических веществ определяет многообразие видов, образовавшихся различных пород и рудных тел в коре Земли.