Давление и температура являются важнейшими факторами, определяющими характеристики геологических процессов, происходящих внутри и на поверхности Земли.
Температура в тропосфере составляет –55 – –80 0С. По мере приближения к земной поверхности температура повышается и может достигать на поверхности +50 – +78 0С в пустынных районах с субтропическим климатом. В то же время в континентальном климате Восточной Сибири температура на поверхности Земли опускается до –68 0С. Отсюда диапазон колебаний на поверхности Земли от +78 до –68 0С. Давление на поверхности Земли составляет 1 атмосферу.
При удалении от поверхности вглубь земной коры температура быстро повышается. В настоящее время принято считать, что в среднем температура повышаются на 1 0С при углублении на 33 м. Но это только средняя цифра. Фактические колебания температуры зависят от конкретной геологической обстановки и значительно отличаются от средней величины. Ориентировочные расчеты показывают, что на глубине в 1 км температура должна быть на 300 выше средней температуры поверхности, а на глубинах в 30 км можно ожидать 700–800 0С, т. е. температуру, вполне достаточную для того, чтобы расплавить часть горных пород.
Начиная с давления в 1 атм на поверхности, давление возрастает с глубиной, так как вышележащие горные породы давят на нижележащие слои. Ориентировочные расчеты показывают, что прирост давления на каждый километр глубины составляет порядка 275 атм. Согласно этому для глубины в 30 км давление составит примерно 9000 атм. Очевидно, что в условиях столь колоссального давления весь характер, все свойства среды, в которой протекают химические реакции, должны быть иными, чем на поверхности. В настоящее время предполагается, что тенденция увеличения температуры и давления с глубиной сохраняется во всей толще земной коры. Состояние более глубоких недр Земли оценивается по геофизическим данным (рис. 2.9).
Существует множество вариантов интерпретации геофизических данных, приведенных на рис. 2.9. Рассмотрим один из возможных вариантов интерпретации, понимая, что единой теории, объясняющей процессы, происходящие в недрах Земли, пока нет.
До глубин ~1000 км идет быстрый рост скорости сейсмических волн. Это характеризует высокую скорость роста плотности и как результат увеличение давления на глубинах до 1000 км. Можно предположить, что на границе области C и D складываются следующие условия: плотность вещества порядка 4 г/см3; давление около 0,3–0,5 МБар; температура порядка 1000 0С.
Рис. 2.9.Изменение плотности вещества, давления и скорости сейсмических волн с глубиной: B – литосфера; C – астеносфера, входит в верхнюю мантию; D – нижняя мантия; E – внешнее ядро; F – пограничная зона; G – внутреннее ядро; Vр – скорость продольных сейсмических волн; Vs – скорость поперечных сейсмических волн
Полагают, что до глубины 710 км горные породы сохраняют кристаллическую структуру. Это обосновано тем, что очаги землетрясений локализованы только до этой глубины; глубже очагов землетрясений не обнаружено. В зоне с глубинами от 700 до 1200 км, когда температуры превышают 5000С, а давления более 0,4 МБар, уменьшаются прочностные свойства кристаллических структур пород. Породы подвергаются растрескиванию, фрагментации и сжатию.
На глубинах более 1000–1200 км при давлении более 0,3–0,5 МБар во фрагментированное состояние переходят все существующие породы с дальнейшим сжатием. К уменьшению прироста скорости сейсмических волн приводит уменьшение скорости роста плотности вещества. Вещество полностью переходит в состояние, когда в объеме содержатся только атомы составляющих веществ (жидкий расплав). Энергия разрушенных под воздействием давления атомных связей выделяется в виде тепла.
Состояние вещества в зоне D (до глубины 2900 км) характеризуется низкой теплопроводностью, высокой вязкостью и плотностью ~ 5–6 г/см3. Давление достигает 1,1–1,5 МБар, а температура от 1000 0С на границе со слоем C до 5–7 тысяч градусов вблизи слоя E.
В зоне E, даже на внешней ее оболочке, давление настолько велико, что вещество переходит в новое состояние. Это состояние характеризуется настолько плотной упаковкой атомов, что наиболее слабо связанные с атомом внешние электроны отрываются и становятся общими для всех атомов. Вещество ионизировано, оно состоит из свободных электронов и ионов. Ионизации в первую очередь подвергаются атомы, где энергия связи электронных оболочек с атомом минимальна. При дальнейшем росте давления атомы сближаются и теряют электроны с внутренних оболочек и так вплоть до потери всех электронов на нижней границе зоны E.
Электроны из внутренних областей зоны E диффундируют в область меньшей плотности вещества. Отсюда внешняя область сферы E характеризуется избыточным содержанием электронов, повышенной проводимостью и рядом других, не обычных для вещества такой плотности физических параметров (аномально низка вязкость). В силу избыточности электронов вещество не является электрически нейтральным. Так как эта область вращается вместе с планетой во внешних магнитных полях Солнечной системы, то она индуцирует упорядоченное движение избыточных электронов. Упорядоченное движение заряженных частиц (электрический ток) обусловливает создание магнитного поля Земли.
Дальнейшее сжатие приводит к совершенно новому состоянию вещества. При давлении, превышающем 5 МБар, начинают сливаться ядра вещества, освобождая энергию связи ядер. Можно предположить, что давление достигает критического значения, достаточного для слияния всех ядер.
Делать какие-либо предположения о состоянии вещества на глубинах более 5000 км (внутренняя граница зоны Е, зоны F и G) проблематично, так как это состояние вещества в лабораторных экспериментах не оценено. Слишком много неизвестных факторов, чтобы смоделировать такое состояние. Можно констатировать только одно – плотность вещества в этой области чрезвычайно велика (более 13 г/см3).