Возникновение вещества Солнечной системы

Имеющиеся данные по геохимии и космохимии химических элементов указывают на генетическое единство всего вещества Солнечной системы. Достижения геохимии и космохимии, геофизики и астрофизики, позволили сформулировать следующие положения относительно природы вещества СС:

1. Земля, планеты и метеориты возникли из солнечного вещества. Исходный материал был первоначально представлен разобщенными ионизированными атомами. Это был звездный газ, из которого по мере охлаждения возникли молекулы, жидкие капли и частицы твердой фазы. Различия в химическом составе планет и метеоритов возникли в результате позднейших процессов, связанных с фракционированием и дифференциацией первичного, относительно однородного вещества.

Вещество СС проходило через звездную стадию развития, включавшую процессы естественного синтеза атомов химических элементов. Материалом для построения всех элементов послужил водород. Сначала возникали легкие, а затем все более тяжелые элементы в ходе различных ядерных реакций в недрах звезд ранних поколений. Предполагается, что для синтеза тяжелых элементов типа урановых и трансурановых необходимы были условия Сверхновой звезды (СЗ), масса которой превосходила массу солнца в восемь раз (рисунок 1).

Температура к центру СЗ резко возрастала, и за счет выгорания легких элементов во внутренних зонах звезда приобрела оболочечное строение. Внешние оболочки СЗ имели водородно-гелиевый состав, далее следовали оболочки обогащенные углеродом, кислородом, кремнием, ядерная часть была сложена преимущественно железом и элементами группы железа. Четких границ между оболочками не было.

Неоднородное сжатие массивной звезды вызвало гравитационный коллапс - легкие атомы из внешних слоев «провалились» в высокотемпературные глубинные области внутренних частей СЗ со стороны полюсов, при этом начались многочисленные ядерные реакции, которые провоцировали мощный взрыв в плоскости экватора с соответствующим угловым моментом. СЗ преобразовалась в газовый диск.

Неоднородности химического и изотопного состава первичной туманности отразились в соответствующих неоднородностях тел СС в различной мере удаленных от Солнца. Солнце, в данном случае, оказалось остатком СЗ, вещество которой трансформировалось в новое состояние. Отсюда вытекает следующее положение:

2. Планеты земной группы и астероиды имеют различный химический состав в зависимости от гелиоцентрического расстояния. Основное различие определяется разным отношением металлических и силикатных фаз. Ближайшие к Солнцу планеты содержат больше металлического сплава, чем отдаленные: Меркурий на 2/3 сложен металлическим железом, а Марс – на 1/4.

3. Возраст метеоритов и Земли по данным ядерной геохронологии составляет 4,5 – 4,6 млрд. лет.

4. Изучение структур и вещественного состава метеоритов позволяет судить о процессах образования планет СС. Получаемые данные свидетельствует что и планеты и метиориты образовались в условиях высоких температур, которые затем сменились быстрым охлаждением.

5. Возникновение Земли было связано с потерей летучих металлов, или она получила их в уменьшенном количестве. Так, литосфера Земли характеризуется дефицитом Au, Hg, Т1, Pb, Bi по сравнению с углистыми хондритами (фрагменты каменных метиоритов), которые наиболее близки к составу первичного солнечного вещества. Концентрация этих металлов в веществе Земли в 100 – 1000 раз ниже.

6. Земля возникла в результате конденсации преимущественно из тугоплавкой фракции солнечного вещества, что отразилось как на составе ядра и силикатной мантии, так и на их массовом соотношении. При этом металлическое железо и близкие к нему металлы имели явное преимущество объединяться в компактные массы перед силикатами.

7. Образование тяжелых радиоактивных элементов завершилось непосредственно перед образованием Солнечной системы. Это обстоятельство определило присутствие в твердых телах системы многочисленных радиоактивных изотопов, как быстро вымирающих, так и сохранившихся до настоящего времени в связи с длительностью распада.

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

В.М. ГОЛЬДШМИДТА

Как же распределяются химические элементы в оболочках Земли?

В.М. Гольдшмидт сравнил дифференциацию элементов в расплавленной планете с выплавкой металла из руд, когда на дно металлургической печи опускается тяжелый металл с плотностью около 7, а на поверхность всплывает легкий силикатный шлак (аналог земной коры). Между ним и располагается слой «штейна» - сульфида Fe с примесью сульфидов других металлов (аналог мантии). Распределение элементов по оболочкам, по Гольдшмидту, зависело от их атомных объемов.

Элементы с минимальными атомными объемами, которые дают сплавы с Fe и в ходе дифференциации образовали земное ядро (сидерофильные элементы). Элементы, имеющие максимальные объемы атомов, обладают большим сродством к кислороду. При дифференциации они образовали земную кору и верхнюю мантию (литофильные элементы). Промежуточные элементы обладают высоким сродством к S, Se, Те (халькофильные); они сосредоточены в нижней мантии и образуют сульфидно-оксидную оболочку. Инертные газы относятся к атмофильной группе (рисунок).

Гипотеза Гольдшмидта о строении Земли представляет лишь исторической интерес, но вытекающая из нее классификация элементов (опубликована в 1924г.) широко применяется в геохимии.

В настоящее время благодаря геофизическим, астрофизическим, геохимическим исследованиям, изучением геотектоники установлено, что Земля имеет более сложное строение, чем представлялось Гольдшмидту и другим родоначальникам геохимии.