Водород во внешнем ядре Земли и его роль в глубинной геодинамике

Abstract

На основе зависимости плотности железа (основного компонента ядра) от количества растворенного в нем водорода и наиболее вероятного нахождения его во внешнем ядре Земли в форме гидрида железа, а также наличия резких скачков плотности вещества на границах внешнего жидкого ядра с внутренним твердым (лишенным примеси водорода) ядром и с мантией произведена приближенная количественная оценка содержания водорода в названной оболочке. Согласно проведенному расчету, содержание водорода во внешнем жидком ядре меняется от 0.67 мас. % на границе с внутренним твердым ядром до 3.04 мас. % на границе с мантией. В качестве наиболее вероятного механизма захвата такого значительного количества водорода железоникелевым ядром рассматривается окклюзия, которая происходила непосредственно при формировании металлического ядра в охлаждающемся протопланетном облаке, обогащенном водородом, на стадии молодого Солнца. При этом аккумуляция водорода происходила в нелетучей форме, поскольку окклюзионному поглощению молекулярного водорода, как известно из результатов исследования системы Fe-H2, предшествовала диссоциация молекул на атомы и ионизация последних. Это предотвращало диссипацию водорода. Высокие давления, развивающиеся в уплотняющемся под действием гравитационного сжатия вещества ядре, способствовали принудительному сближению разнозаряженных частиц (протонов и электронов) и их взаимодействию с образованием атомов водорода. Последние, обладая высокой химической активностью, вступали в реакцию с металлами, образуя гидриды железа FeH и никеля NiH. Непрерывное увеличение давления по мере роста и уплотнения металлического ядра, а затем и силикатной мантии способствовало их стабильности. Разложение гидридов железа и никеля с образованием молекулярного водорода оказалось возможным, когда на границе раздела мантия ядро, вследствие внешних силовых воздействий на Землю стали происходить срывы и смещения граничных слоев, приводящие к снижению давления в системе. Трансформация водорода из гидридной формы в молекулярное состояние имеет важные петрологические, минералогические и геодинамические последствия. Молекулярный водород при высоких температурах принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях с железосодержащими силикатами и углеродсодержащими газами (CO, CO2), что определяет возможность синтеза воды во всем объеме мантии. Вода, как известно, существенно снижает температуру плавления пород, приводя к их частичному плавлению (астеносфера, слой D” в основании мантии, в котором зарождаются плюмы), и осуществляет гидролиз силикатов магния, переходя при этом в химически связанное состояние (в виде гидроксил-ионов). Гидроксилсодержащие силикаты магния обладают высокой пластичностью и также изменяют реологические свойства пород. Появление реологически ослабленных участков пород в мантии в сочетании с внешними космическими воздействиями оказывает существенное влияние на тектоническую активность и определяет возможность ее проявления во всем объеме мантии.