Современные проблемы геологии. Изотопный взгляд на проблему презентация

Современные проблемы геологии «Изотопный» взгляд на проблему

Как образуются химические элементы во Вселенной? Согласно теории Большого взрыва Вселенная возникла из сингулярной точки (материальная точка с массой Вселенной) 18 – 20 млрд.лет тому назад. При Большом Взрыве прежде всего формируются атомы водорода – протия и в меньшей степени дейтерия (тритий распадается за 12 лет в 3He). p++ e- -> 1H (протий) p++n+ e- -> 2H (D-дейтерий) (термически неустойчиво, поэтому мало) p++n+n+ e- -> 3H -> 3He (T-тритий 12,5 лет) p++ p+ + n + n+ e- + e- -> 3He 1H + 1H -> 2H +e+ + (ТЯ реакция + 1,44 Мэв) 2H + 1H -> 3He +  (ТЯ реакция + 5,49 Мэв) 3He + 3He -> 4He + 1H + 1H (ТЯ реакция + 12,85 Мэв) 2H + p+ -> 3He (термически неустойчив) 3He + n -> 4He 3He + p+ -> 4Li -> 4He + +p (<10-6 c) 3He + 2H -> 4He + p+ 3He + 3He -> 4He + 2p+ 4He + 1H -> 5Li -> 4He + p (<10-6 c) 4He + n -> 5He -> 4He + n (<10-6 c) 4He + 2H -> 6Li 4He + 3He -> 7Li 4He + 4He -> 8Be -> 4He + 4He (<10-6 c)

Термоядерные процессы в звездах

Сброс оболочки красного гиганта – Новая звезда (планетарная туманность Кольцо)

Гелиевое ядро за счет гравитационного сжатия приобретает огромную плотность -3*105 г/см3. При такой плотности электроны у атомов гелия сорваны со своих орбит, и ядро состоит из вырожденного газа. Выделяющаяся при сжатии гравитационная энергия отводится за счет излучения, образуется белый карлик с массой порядка 1,5 M. Для менее массивных звезд М< 1.2M практически весь водород сгорает, и звезда состоит из одного гелия. За счет гравитационного сжатия выделяется энергия, такие плотные звезды имеют спектральные классы от К до G и называются желтыми карликами.

После сброса оболочки в центре остается белый карлик

процессы нуклеосинтеза в оболочке Сверхновой p- процесс (протон р) захват протонов с образованием ядер тяжелее железа (момент взрыва <10-6 сек) r- процесс (быстрый rapid): захват нейтронов нестабильными ядрами до их полного распада (<10-3 сек) S- процесс (медленный slow): захват нейтронов ядрами после распада их радиоактивного предшественника (0,1 – 1000 сек).

Взаимодействие сброшенной оболочки Сверхновой с массивными звездами (Туманность Карина).

Остаток ядра Сверхновой на расстоянии 11 тыс. световых лет

Какими данными мы располагаем о веществе Земли и Солнечной системы? Образцы Земных пород. Спектральные данные о химическом и изотопном составе Солнца. Прямые измерения химической и изотопной распространенности элементов на Солнце – проект Genesis. Изучение компонентов Солнечного ветра имплантированного в пыль Лунного реголита. Образцы метеоритов Лунные образцы Прямые измерения химической распространенности в кометах, астероидах – проекты Вега, Rosetta – Philae и др.

Классификация метеоритов Каменные Углистые хондриты С0 – С4 Каменные хондриты LL, L, H (0-5) Ахондриты Железо каменные Железные Наиболее примитивные –углистые хондриты, остальные классы образуются при магаматической дифференциации в относительно крупных телах астероидных размеров.

Как образуются планеты? Формирование газо – пылевого диска вокруг звезды. За счет неоднородности плотности: Диск распадается на дискретные концентрические области питания будущих планет В каждом диске конденсируется твердое вещество в виде тел астероидных размеров 1-100 км. Эти тела называются планетозимали. Происходит слипание планетозималей – процесс аккреции планеты. И все это, от образования Солнечной системы, до существования дифференцированных планет (с ядром, мантией, протокорой и атмосферой, по изотопным данным, всего за 20-50 млн.лет……..

Поздняя аккреция: Процесс аккреции затухает по экспоненциальному закону, продолжается и сейчас: современный темп аккреции Землей космического вещества – около 1000 тонн в год. Основная часть вещества – космическая пыль, частицы менее 100 микрон, которые не сгорают в атмосфере, а поступают на поверхность, аккумулируясь в конечном счете в пелагических осадках океанов. По пелагическим осадкам установлена цикличная вариация темпа поздней аккреции с главным периодом порядка 100 тыс.лет. Но были и катастрофические события, надежно установлено, что на границе мел-палеоген, 65 млн.лет тому назад, темп аккреции кратковременно увеличился на пять! Порядков величины. И бедные динозавры этого не пережили…..

Темп аккреции затухает по экспоненте, следовательно, в хадее и архее был существенно интенсивнее. Важное значение имеет изучение интенсивной хадей-архейской бомбардировки протокоры: LHB – Late Heavy Bombardment. С этим, в частности, связывают гетерогенность верхней мантии. Субокеаническая верхняя мантия DM – по геохимическим и изотопным параметрам весьма гомогенна Сублитосферная континентальная верхняя мантия SCLM – очень гетерогенна.

Две главные гипотезы аккреции Гетерогенная аккреция: сначала в космосе вещество дифференцировало с образованием железных астероидов, которые сформировали ядро, каменных хондритов – мантию, ахондритов – кору, комет – атмогидросферу. Гомогенная аккреция: планеты образованы из гомогенного вещества типа углистых метеоритов класса С1, затем произошла дифференциация на геосферы. Современные изотопные данные показывают, что в первом приближении, аккреция была гомогенна, следовательно, все геосферы образованы при дифференциации однородного хондритового резервуара CHUR.

Как получены оценки изотопных параметров Протоземного вещества ? Изучен изотопный состав, соотношения стабильных изотопов главных химических элементов: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na и др. Показано (прежде всего по соотношениям изотопов кислорода), аналогом Протоземного вещества являются примитивные углистые хондриты С1 – это однородный хондритовый резервуар CHUR. По коллекциям метеоритов С1 определены изотопные и изотопно элементные соотношения в однородном хондритовом резервуаре CHUR для систем долгоживущих радиоактивных изотопов: 87Sr/86Sr, 87Rb/86Sr; 143Nd/144Nd, 147Sm/144Nd; 176Hf/177Hf, 176Lu/177Hf; 206Pb/204Pb, 238U/204Pb и др….

Проблемы CHUR и примитивной мантии: 1. по изотопной Sr-Nd систематике в горячих точках (источники в нижней примитивной мантии) НЕТ компоненты CHUR, это м.б. смешение DM и субдуцированного корового вещества.

Экзосферы планет земной группы: это сумма химических соединений в: атмосфера + гидросфера + хемогенные осадки Земля и Венера – сестры близнецы, у них в экзосферах примерно одинаковое количество легких химических элементов: H, C, N, O, S, NG. Земля (20 оС, 1 атм): гидросфера- H20, атмосфера - N2, O2, Ar + H2O облачность, хемог. Осадки -СаСО3 и С орг., FeS2, CaSO4 Венера (600 оС, 50 атм): гидросферы и хемогенных осадков нет, атмосфера: СО2 + Ar, облачность – H2SO4

Когда была образована Земная экзосфера? Короткоживущий изотоп йода распадается в изотоп ксенона. 129I -> 129Xe + β (T1/2 = 17 млн.лет) В атмосфере изотопное отношение 129Xe/130Xe на 30% ниже, чем в породах верхней мантии, следовательно, атмосфера (экзосфера) была выделена из мантии до того как распался весь 129I, т.е. не позднее 17*5= 85 млн.лет с момента нуклеосинтеза. Возраст Земной экзосферы порядка 4,5 млрд.лет.

Какой химический состав имела первичная атмосфера, и когда появилась гидросфера? Согласно химической распространенности легких элементов в углистых хондритах, первичная весьма массивная атмосфера была похоже на таковых планет- гигантов (Юпитер, Сатурн, Нептун): Н2 > 95-99% + He + CH4 + N2 Земля своим полем тяготения способна удержать в атмосфере соединения с молекулярной массой более 6. Поэтому водород и гелий теряются в космическое пространство за время порядка 0,1 млн.лет (процесс диссипации).

А была ли диссипация первичной водородной атмосферы? Да, изотопный состав азота мантийных пород тяжелее атмосферного азота: δ15N morb = +5 - +8 ‰ AIR. Изотопный состав неона Земной атмосферы обогащен тяжелыми изотопами относительно верхней мантии:

Как эволюционировал состав атмосферы? На рубеже хадей – архей (4.0 млрд.лет) уже существовала гидросфера, что подтверждается изотопным составом кислорода древнейших цирконов в возрастом более 4,2 млрд.лет: δ 18O > ( δ 18O ) в мантии = +4 – +5 ‰SMOW. Атмосфера была безкислородная, существенно метановая. На рубеже 2.4 -2.2 млрд.лет появились первые красноцветные осадочные породы (окисленное железо), что свидетельствует о появлении в атмогидросфере свободного кислорода – Great oxydation event.

В окисленной водной среде наблюдается масс-зависимое изотопное фракционирование MDF за счет 4H20 + 4SO2 ↔ H2S + 3H+ + 3HSO−4 В восстановленных условиях – масс-независимое фракционирование изотопов серы MIF

Любую из тем данной презентации Вы можете развить в реферате. Или подготовить презентацию для выступления на семинаре в конце курса (конец декабря). И Георгий Сергеевич Бискэ оценит Ваши усилия.

Нерешенные и проблемные вопросы: Справедлива ли гипотеза о CHUR ? Каков возможный вклад доСолнечного вещества в Протовещество Земли? По каким объектам это можно оценить? Почему нет соответствия параметров CHUR по изотопным Rb-Sr, Sm-Nd, Lu-Hf, K-Ar и U-Th-He системам? Каковы причины несоответствия океанической DM сублитосферной мантии SCLM? Откуда в океанических островах взялся компонент “High mu”? Почему в породах океанической верхней мантии DM есть избытки легкого изотопа неона (высокие 20Ne/22Ne), в в SCLM нет? Роль LHB и процесса поздней аккреции в эволюции Земли. Не является ли это причиной гетерогенности SCLM? Какова связь резкого повышения темпа поздней аккреции и массовых вымираний в экзосфере Земли (mass extinctions)? Причина возникновения аномалий по легким стабильным изотопам: аномально тяжелый углерод в протерозойских осадочных карбонатах (δ13С > + 15‰) и аномально легкий кислород в эндогенных породах (δ18О < - 20‰) ?? – your opinion.