Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




18.10.2017





Яндекс.Метрика
         » » Некоторые данные о плотностях горных пород и минералов при давлениях до 500 кбар

Некоторые данные о плотностях горных пород и минералов при давлениях до 500 кбар

17.11.2017

Известно, что первоначально изменение плотности внутри Земли было дано законом Лапласа, относящимся к химически однородной Земле, для которой dk/dp=2 («k» и «р» — соответственно модуль объемного сжатия и давления). При последующих вычислениях это дает для Земли плотность 2,8 г/см3 у поверхности и 11,2 г/см3 у центра.

Позднее были применены различные методы расчета неоднородности состава Земли в направлении радиуса, однако получившиеся результаты не вполне удовлетворяли необходимым условиям.

Модель Земли «В» — Буллена (основанная на постулировании того, что от глубины 1000 км до центра Земли «k» меняется непрерывно) в соответствии с его гипотезой о сжимаемости показывает, что значение плотности в центре Земли не может быть меньше 14,5 г/см3. Средняя плотность Земли 5,517 г/см3. Согласно Буллену, в модели Земли «А» для глубины 33 км принята плотность, равная 3,32 г/см3, для глубины 410 км — 3,64 г/см3 и, наконец, для глубины 1000 км плотность принята равной 4,68 г/см3.
Рамзай считал, что увеличение плотности на границе земного ядра от 5,7 до 9,4 г/см3 вызвано давлением, а не изменением состава, ядро же состоит не из железа или никеля, а из ультраосновных пород в металлической фазе. По мнению Рамзая, эта гипотеза дала возможность считать первичный состав Марса, Венеры и Земли общим — цитировано по Буллену.

Для целей и задач геологической петрологии важно, что представление об увеличении с глубиной по радиусу плотности пород, слагающих Землю, правомерно для оболочек близкого состава. Пример — выводы Рамзая об изменении плотности на глубинах 2900 км, а также закон Лапласа, верный при условии химической однородности Земли.

В последние годы появились экспериментальные данные о состоянии некоторых горных пород и минералов в условиях сверхвысоких давлений, полученные методом ударного сжатия.

В «Справочнике физических констант горных пород» под редакцией Кларка в главе о сжимаемости приведены данные плотности горных пород, подвергнутых ударному сжатию (табл. 7—14).

Хотя в этих экспериментах не определяется температура, поведение горных пород разного состава при ударных сжатиях, эквивалентных давлениям в сотни килобар, привлекает внимание петрографов. Интересующий нас диапазон давлений 300—500 кбар иллюстрирован табл. 4, где р0 — плотность исходной породы при атмосферном давлении, P — давление в килобарах и р — плотность этой породы при соответствующем давлении. Из табл. 4 видно, что различные петрографические типы пород, имеющие разную плотность при атмосферном давлении, в том числе граниты и эклогиты, подвергнутые в условиях эксперимента ударному сжатию 400—500 кбар, оказывается, уплотняются до р — 4,3 г/см3.

Как ведут себя отдельные минералы, слагающие породы? В этом отношении опубликованные данные ограниченны. Поведение кварца и кварцита изучалось Р.Ф. Труниным и др. В статических условиях Коэс (Coes) получал высокоплотную модификацию SiO2 — коэсит (р=3,01 г/см3), а С.М. Стишов и С.В. Попова получили новую высокоплотную разность SiO2 — стиповерит или стишовит (упаковка атомов в структуре рутила) с р0 = 4,3 г/см3. Векерли, а также Л.В. Альтшулер, Р.Ф. Трунин и другие показали, что в динамических условиях при сжатии а-кварца под давлением >400 кбар также реализуется состояние, соответствующее стиповеритовой фазе.
В работе Р.Ф. Трушша и др. на кривой (фиг. 3) для кварца в точке, отвечающей стишовиту (фазовый переход), виден отчетливый перелом. Дальше до Р~5 Мбар эта кривая в координатах Р—р (давление-плотность) характеризуется плавной монотонной зависимостью, без каких-либо скачков плотностей, свидетельствующих о повой перестройке кристаллической структуры SiCh.

Интересно, что наряду с горными породами, помимо кварца, при ударном сжатии ~400—450 кбар той же плотностью 4,1—4,4 г/см3 характеризуются и такие породообразующие минералы, как слюда и плагиоклаз.

С применением ударного сжатия (табл. 5) исследовались также апатит, флогопит, основное вулканическое стекло. На графике (см. фиг. 3) в координатах P (кбар) и о (г/см3) приведены экспериментально полученные кривые изменения плотностей до давления 500 кбар. На кривых для гипса и для кислого вулканического стекла заметны отчетливые переломы, что указывает на фазовые превращения. Для гипса с yачальной плотностью 2,28 г/см3 переломы кривой отвечают давлению: 1—240 кбар с плотностью минерала 3,17 г/см3, 11—310 кбар с плотностью модификации минерала, равной 3,44 г/см3. Для обсидиана с исходной плотностью 2,37 г/см3 при ударном сжатии 265 кбар отчетлив перелом кривой, отвечающий плотности 4,20 г/см3, что близко к плотности стиповерита. При более высоких ударных сжатиях кривая обсидиана круто, но плавно подымается вверх, отвечая при 400 кбар плотности 4,42 г/см3 и при 500 кбар плотности 4,50 г/см3. Характер намечаемых фазовых превращений требует самостоятельного изучения.

В табл. 5 приведены изменения плотности в минералах при давлениях (ударных) до 500 кбар в корреляции с предположительно соответствующими глубинами Земли.

Кривые фиг. 3 дают возможность предположить, что при давлении 125 кбар (что примерно отвечает глубинам в 410 км) плотность апатита будет составлять 3,49 г/см3, флогопита — 3,31 г/см3, плагиоклаза — 3,07 г/см3. Ведет ли указанное уплотнение к изменению состава минералов — задача будущих исследований.

Пока мы констатируем, что полученные при сжатиях 125, 400 и 500 кбар значения плотностей таких минералов, как апатит, флогопит, плагиоклаз, приближаются к значениям плотности по модели Земли «А» (Буллена) для глубин 410 км и приблизительно от 1200 до 1700 км. Главным, на наш взгляд, является плотная сходимость значений плотности, полученных для ряда минералов при ударном сжатии 400—500 кбар, со значениями плотности разнотипных (см. табл. 4 и 5) горных пород — от диабаза и эклогита до гранита — при таких же давлениях.
В связи со сказанным перед петрологами и геофизиками возникает важная проблема — проследить состояние отдельных минеральных фаз и их агрегатов (горных пород) во всем диапазоне давлений, которые реализуются от поверхности Земли до ее ядра, с целью выявления возможных фазовых изменений отдельных минералов и предела сжимаемости их агрегатов (горных пород). Во всяком случае, уже имеющиеся экспериментальные данные не исключают полностью гипотезу о квазиодно-родном химическом составе Земли.

В связи с этим вновь отмечу (имея в виду также представления Рамзая, Буллена и др.), что в одной из более ранних моих работ на основе рассмотрения геолого-геофизических данных для Земли и сопоставления плотностей Земли, Марса, Луны с их радиусами было высказано предположение, что превышение средней плотности трех тел Солнечной системы над плотностью поверхностных пород находится в прямой зависимости от радиуса планеты. «Это дает основание для предположения об идентичности вещества, слагающего планеты, но находящегося в различной степени сжатия, обусловленного размером планеты».

Следует добавить, что новейшие результаты, добытые автоматической станцией «Венера-8», заставляют думать, что планета Венера по ряду параметров (химический состав, изменение плотности по радиусу и др.), но не по возрасту близка к Земле.

Разнообразие горных пород, обнаруженных на Луне, свидетельствует о сложной магматической и тектонической эволюции этого космического тела. Ассоциация таких пород, как анортозиты, «пориты», «базальты», скорее свидетельствует о приуроченности их к блокам Луны, сходным с платформенными участками Земли. Вообще, видимо, не исключена возможность постановки вопроса о разновременном образовании внутренних планет (земной группы) Солнечной системы в последовательности Марс, Земля с Луной и Венера.