Как определили внутренний состав Земли под корой?

[Novosedoff]

Всех приветствую! С прошедшими праздниками! 

Прикрепил картинку, на которой показаны
1) химический состав Земли целиком
2) химический состав земной коры (т.е. только верхней части Земли)

Возник такой вопрос: а как, собственно, был определён состав Земли под корой и в какой степени этот состав является гипотетическим или точным?

Спасибо.

[Савостин Алексей]

В основном, сопоставление сейсмических данных,  данных химического состава метеоритного вещества,  моделирование термобарических условий на определенной глубине и прогнозирование поведения минералов в этих условиях.  И, да, породы верхней мантии иногда таки попадают в руки геологов в виде так называемых ксенолитов - включений пород верхней мантии в эффузивные породы (как правило в кимберлиты - те сами по себе довольно глубинные породы).  В  целом, для верхней мантии химический состав определен достаточно точно. Чем дальше вглубь недр, тем данные менее достоверные и более теоретические.

[Novosedoff]

В основном, сопоставление сейсмических данных,  данных химического состава метеоритного вещества,  моделирование термобарических условий на определенной глубине и прогнозирование поведения минералов в этих условиях.  И, да, породы верхней мантии иногда таки попадают в руки геологов в виде так называемых ксенолитов - включений пород верхней мантии в эффузивные породы (как правило в кимберлиты - те сами по себе довольно глубинные породы).  В  целом, для верхней мантии химический состав определен достаточно точно. Чем дальше вглубь недр, тем данные менее достоверные и более теоретические.

Спасибо, Алексей, за интересное мнение. Если говорить о картинке выше, то очень уж странным показалось то обстоятельство, что в земной коре мы наблюдаем куда больше алюминия, чем магния. И это притом, что
а) под корой магния должно быть на порядок больше, чем алюминия
б) магний является менее плотным, чем алюминий, т.е. магний легче алюминия
в) температура плавления/кипения у магния несколько ниже, чем у алюминия,
г) в кислотно-водной среде ионы магния проявляют несколько большую активность, чем ионы алюминия, т.е. с точки зрения электрохимического ряда активности металлов, магний немного более "липуч" и  легче вступает в реакцию, но при этом валентных связей у алюминия больше, так что атомарная структура соединений, в которые он входит, оказывается, как правило, более сложной, т.е. соединения с алюминием в среднем тяжелее магниевых, а за счёт большего числа валентных связей сидит алюминий в этих соединениях крепко.

- соответственно, а)-г)  скорее намекают, что магний должен был бы вытесняться на поверхность земли в первую очередь и, таким образом, превалировать над алюминием по содержанию в коре.

Я поинтересовался недавно оным вопросом также на Quora, и там один геолог-инженер поделился публикацией, из которой вроде как следует, что в основе гипотез о внутреннем составе Земли лежит положение о том, что Земля и Солнце некогда являлись частью одного единого звездного вещества. Соответственно, наши текущие представления о внутреннем составе Земли в значительной степени диктовались изучением химического состава Солнца. Вот ссылка на мою переписку на Quora (ссылка на статью и большая часть переписки в комментариях видна только если залогиниться):
https://www.quora.com/How-come-that-Magnesium-has-a-low-density-compared-to-many-other-metals-but-is-deposited-mostly-under-earths-crust-Picture-attached

Если же говорить о химическом составе Солнца, то, как можно видеть на прикрепленной ниже картинке с таблицей, алюминий в отличие от магния действительно не входит даже в десятку доминирующих элементов Солнца:

Что касается "моделирования термобарических условий на определенной глубине", то насколько мне известно, глубже Кольской сверхглубокой и Катарской скважин на земле пока ничего не вырыли, да и те обе - не более 12.5 км глубиной. А средняя толщина земной коры составляет скорее около 20 км на суше (океаническая конечно потоньше - около 10 км). Иными словами, бурение даже до слоя мантии едва ли доходит, молчу уже о ядре.

[Савостин Алексей]

Соответственно, наши текущие представления о внутреннем составе Земли в значительной степени диктовались изучением химического состава Солнца.

Ну почему я и упомянул о химическом составе метеоритного вещества.  В целом химический состав хондритов близок к химическому составу планетезималей,  из которых происходила сборка планет (по крайней мере земной группы). Состав же железо-никелевых метеоритов по мнению геологов близок к составу ядра.
Поскольку  скважин глубже 12 км пока не пробурено, то и о минеральном составе недр можно строить только теоретические  предположения - смотреть, как тот или иной минерал поведет себя при таком-то давлении на глубине 50, 100, 200 км. Там происходят довольно интересные перестройки кристалличеких решеток  у многих минералов. Например переход оливин-шпинель (а оливин является одним из породообразующих и широко распространенных минералов).
Насколько теоретичекие рассчеты будут верны- покажет будущее. Очень характерен пример с Кольской сверхглубокой. Одной из задач бурения было достижение раздела Конрада - гипотетической границы между гранито-гнейсами и подстилающими их  базальтами. Насколько я помню, геофизика эту границу показывала толи на 8, толи на 10 км (сейчас не помню, лекцию 20 лет назад слушал). Так вот на этом уровне вместо базальтов были обнаружены сильно трещиноваты и обводненные гранито-гнейсы. Базальтов третьего слоя континентальной коры там так и не нашли (если не ошибаюсь, вообще из пород верхнего архея не вышли).

[Novosedoff]

Насколько теоретичекие рассчеты будут верны- покажет будущее. Очень характерен пример с Кольской сверхглубокой. Одной из задач бурения было достижение раздела Конрада - гипотетической границы между гранито-гнейсами и подстилающими их  базальтами. Насколько я помню, геофизика эту границу показывала то ли на 8, то ли на 10 км (сейчас не помню, лекцию 20 лет назад слушал). Так вот на этом уровне вместо базальтов были обнаружены сильно трещиноваты и обводненные гранито-гнейсы. Базальтов третьего слоя континентальной коры там так и не нашли (если не ошибаюсь, вообще из пород верхнего архея не вышли).

Логично, базальтовая подложка более характерна как раз для океанического дна в отличие от гранитной, характерной для суши. А коль скоро средняя толщина океанической коры вдвое тоньше, чем у суши, то получается, что прорывая Кольскую как раз и должны были пройти из гранитной в базальтовую в районе отметки 10 км. 
PS Сейчас смотрю статью в википедии - оказывается, в 2017 году на Сахалине побит рекорд и Кольской, и Катарской скважин: 15 км!   

[Савостин Алексей]

Кстати, могу дать ссылку на работу Рингвуда "Состав и петрология мантии Земли".  Книжка старая (1975), но и геология довольно консервативная наука
https://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1179420

Кажется, на сайте Геокнига ее можно скачать в пдф.

[Novosedoff]

Спасибо за ссылку, посмотрю. Не специалист, но уж очень интересным показался вопрос, настолько, что захотелось погрузиться 

[Савостин Алексей]

PS Сейчас смотрю статью в википедии - оказывается, в 2017 году на Сахалине побит рекорд и Кольской, и Катарской скважин: 15 км!

Это скважины на нефть, они только в осадочных породах. А мощность осадочного чехла может и 20 км быть в зонах прогибов.

[Novosedoff]

PS Сейчас смотрю статью в википедии - оказывается, в 2017 году на Сахалине побит рекорд и Кольской, и Катарской скважин: 15 км!

Это скважины на нефть, они только в осадочных породах. А мощность осадочного чехла может и 20 км быть в зонах прогибов.

Да, я выше соврал про среднюю толщину коры на суше: она в среднем не 20 км, а скорее 50 км. Поправляюсь и картинку с подтверждением из другого учебника прикрепляю.

Как раз если посчитать: 0.71 площади воды x 10 км + 0.29 площади суши х 50 км и выйдет средняя толщина коры около 20 км для всей Земли целиком

[Novosedoff]

данных химического состава метеоритного вещества, 

На самом деле я об этом тоже думал, но тут несколько нюансов. Во-первых, метеоритного вещества в системе немного по сравнению с массой планет. Во-вторых,  даже планеты со составу крайне непохожи друг на друга, что уж говорить о разнообразии метеоритного вещества. Скажем, Юпитер тяжелее Земли в 300 раз, как известно, но при этом Земля оказывается в 4 раза более плотной, чем Юпитер!
http://www.allplanets.ru/solar_sistem.htm

Если обобщить вышесказанное применительно к Земле, то может оказаться, что наши представления о её внутреннем составе на примере аналогий с Солнцем являются не таким уж и точными. Иными словами, процентное содержание элементов под корой может сильно отличаться от указанных на самой первой картинке в теме. Либо, что ещё более вероятно, я просто недостаточно глубоко погрузился в суть вопроса    В конце концов, сама картинка могла оказаться фальшивой!

[dr_magneto]

у вас картинка в килограммах, а в штуках магния и алюминия примерно поровну

[Novosedoff]

у вас картинка в килограммах, а в штуках магния и алюминия примерно поровну

Я конечно в курсе  Так куда показательней, чем по количеству атомов смотреть.

[Novosedoff]

Если б внутренность Земли состояла в основном из оливина, который действительно находят в хондритовых метеоритах, падающих на землю, разве б тогда на первой картинке Железо превалировало над Кислородом (35% vs 30%), а не наоборот?

[Савостин Алексей]

Если б внутренность Земли состояла в основном из оливина, который действительно находят в хондритовых метеоритах, падающих на землю, разве б тогда на первой картинке Железо превалировало над Кислородом (35% vs 30%), а не наоборот?

Если брать состав Земли в целом, то основную массу железа вносит ядро.  Если брать только мантию, то соотношения элементов там другие - кислород, кремний. магний и железо в порядке убывания.

[Novosedoff]

Решил проверить  Мантия составляет 2/3 массы земли, в ней кислород превалирует над железом примерно на 13% (= {4 х 16 - 56 } / {4 х 16} ). Оставшаяся треть Земли - ядро, пускай оно даже вообще бескислородное. Тогда насколько кислород из первых двух третей массы Земли в мантии может компенсировать отсутствие кислорода в оставшейся трети Ядра, чтобы в итоге железо превалировало над кислородом на 5% и вместе они составляли 65% всей массы земли целиком, включая ядро и мантию? Имеем: пусть m - масса земли 6 х 10^24, F - масса железа, О - масса кислорода. Известно, что F + O = 0.65 x m, s:= 0.35 x m - это на остальные злементы столько приходится масы земли,  1/3 m = a1 x F,  2/3 m = a2 x F + O + s, где a1 + a2 = 1. Получается, система 4 уравнений из 4 неизвестных F, O, a1, a2, из которой находим

https://www.wolframalpha.com/input/?i=+F+%2B+O+%3D+0.65+*%28+6*10%5E24%29%2C+%286*10%5E24%29%2F3%3D+a+*+F%2C++2+*+%286*10%5E24%29+%2F3+%3D+b+*+F+%2B+O+%2B+0.35+*+%286*10%5E24%29%2C+a+%2B+b+%3D+1

Wolfram умер  "Solution doesn't exist"

[Савостин Алексей]

Немного странные соотношения кислорода и железа в мантии. Может табличка из книги О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова "Развитие Земли" пояснит состав основных геосфер.  Если саму книгу найдете, рекомендую к прочтению. 
Состав дан не по отдельным элементам а по оксидам.

[Novosedoff]

Немного странные соотношения кислорода и железа в мантии. Может табличка из книги О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова "Развитие Земли" пояснит состав основных геосфер.  Если саму книгу найдете, рекомендую к прочтению. 
Состав дан не по отдельным элементам а по оксидам.

Да, спасибо, примерно такая же была у Добровольской в книге "Геохимия земной коры", но это только для коры. А расчет выше для соотношения кислород-железо был сделан на примере формулы оливина, которым вроде как богата мантия

[Игорь_ЕД]

Извините, что вклиниваюсь. Меня заинтересовал вопрос, а много ли водорода в недрах Земли. Понятно, что водород может быть только в связанном виде, например в  виде воды, которая в свою очередь связана с минералами. В таблицах из последних постов про водород ничего не обнаружил. Вопрос возник в связи с происхождением земных океанов. Воду принесли на Землю кометы или она вышла из земных недр посредством вулканических извержений? Вот тут есть кое-какие цифры. Хватит ли земного водорода для образования океанов?

[Савостин Алексей]

Меня заинтересовал вопрос, а много ли водорода в недрах Земли.

Да, в связанном виде в виде минералов.  Опять же, опираясь на монографию Сорохтина и Ушакова, можно сделать вывод, что свежие океаниеческие базальты довольнно "сухие" и содержат не более 0,3% ОН.  Более глубокие мантийные породы еще меньше - до 0,1% ОН.
В породах коры довольно много воды, вторично связанной с минералами и поступившей из гидросферы (при этом массово образуется минерал серпентин, участвующий в строении океанической коры). 
По поводу происхождения гидросферы существуют две гипотезы - дегазация из недр при дифференциации вещества и кометная гипотеза.

[Игорь_ЕД]

Да, в связанном виде в виде минералов. 

Спасибо!