本文敘述作為次生構(gòu)造的地核的形成與脫氣作用的關(guān)系問題。
水的存在給予地球的熱歷史以很大的影響(K.C.Conーdie,1968)。聚集過程終了時(shí)的地球,如果由于聚集過程的重力能和放射性衰變能的影響而被加熱,那那么水合物可能會(huì)慢慢地分解,而水大概會(huì)向上方移動(dòng),并聚集在地球上部。若在水蒸汽壓與靜水壓相等的條件下,則橄欖巖的融點(diǎn),在2-6×104氣壓的壓力范圍內(nèi)大致為1000°C1)(I.Kushiro等,1968)(參看圖3.10)。在原始地球的上層,水蒸氣壓與靜水壓是否有相等的條件,還不很清楚2,但在淺的地方,引起橄欖巖熔融的溫度似乎是1200°C左右。
另一方面,從不存在濃密的原始大氣這一結(jié)論的角度來考慮,在聚集過程或地核形成過程中,可以認(rèn)為沒有發(fā)生過特別引人注目的化學(xué)反應(yīng)(例如還原反應(yīng))。
原因是如果發(fā)生了某種還原反應(yīng),必定伴隨發(fā)生氣體(含氧的化學(xué)形式),這種氣體應(yīng)全部構(gòu)成原始大氣。因而,若以本章作者采取的立場(chǎng),則聚集過程終了時(shí),地球在化學(xué)組成上就理應(yīng)是均勻的,與地球的核心等量的金屬相,當(dāng)時(shí)就應(yīng)該均勻地分布著。
(由于金屬相的沉降而形成地核,姑且不論金屬相本身如何,但其周圍的硅酸鹽應(yīng)該是柔軟的,由前面的論述也可以認(rèn)為原始地球中如果沒有水,地球上部在1200℃左右的條件下,硅酸鹽物質(zhì)要發(fā)生熔融。地核周圍一變?nèi)彳?,金屬相熔化也好好,不熔化也好,都開始斯托克斯沉降。由此放出重力位能,進(jìn)而溫度上升,金屬相沉積就更加容易了。這樣,一旦金屬相得到一次沉降的機(jī)會(huì),其后就加速度地促進(jìn)沉降,在相當(dāng)短的時(shí)間(1×108年)(Y.Shimazu和T.Urabe,1967)就形成好了地核。由物質(zhì)均勻的地球到形成現(xiàn)在的成層性地球的過程中所釋放出來的重力位能為2.5×1038爾格(島津,1966),如果這些能量使整個(gè)地球的溫度上升,則整個(gè)地球的溫度就要高達(dá)1600°C左右(F.Birch,1965)。
大概在地核形成以后,地球立刻刻達(dá)到最高溫度。而且使整個(gè)地球成為流體狀態(tài),可能靠對(duì)流把內(nèi)部的能量運(yùn)出(N.Fuji和S.Uyeda,1966)。
無論從哪個(gè)角度來說,在地核形成過程中,尤其是在形成終了稍后,地球球的脫氣作用,在整個(gè)地球的歷史上,一定是最活躍的。
一當(dāng)?shù)厍虮砻婀袒?,逐漸構(gòu)成永恒的地殼,脫氣作用就不大活躍了。即使部分地開始形成固化殼,在那里也要逐漸形成大的溫度梯度,于是水就在一部分區(qū)域冷凝形成原始海洋。不穩(wěn)定的固化売大概由于粘性流體的對(duì)流竟屢遭破壞。但是,只要有液體水存在,一度在其上面形成海洋的固化殼,其溫度就不會(huì)升到水的沸點(diǎn)以上,并在水平方向上,也可以產(chǎn)生溫度差,這大概對(duì)原始熔融地球?qū)α鞣绞接袥Q定性的影響。
定量地處理脫氣問題是困難的,可是將大氣和海洋的進(jìn)化作為時(shí)間的函數(shù)來定量的表述是基本重要的。圖爾基恩(1959)認(rèn)為某一揮發(fā)性成分的脫氣速度與該揮發(fā)性成分在全地球中的濃度成正比,即:
dN/dt=ーλV (3.9)
式中:N是氣體量;λ是該氣體所特有的脫氣系數(shù)。此式的形式與放射性衰變表示式完全相同。如果有揮發(fā)性成分最初就在地球的表層部位濃縮這樣的前提條件3),該假定是很妥當(dāng)?shù)?。不具這個(gè)條件,圖爾基恩假定就沒有任何具體的支持材料。另一方面,松尾(1969)認(rèn)為,脫氣速度與大陸生長(zhǎng)速度成正比。這種想法直觀上易于接受,但當(dāng)定量化時(shí),關(guān)于是否有哪一個(gè)大陸曾經(jīng)維持同一生長(zhǎng)速度,目前還遺留著兩方面的問題,其一是,探討這一問題的資料不足;其次是究竟怎樣追溯35億年以前古老的大陸。無論如何,定量地處理脫氣問題,有待今后解決。
1)如果一點(diǎn)不含水,這種橄欖巖的熔點(diǎn)在2×104氣壓下可達(dá)1400°C,在5×104氣壓下可達(dá)1800°C。
2)作為原始地球含水量的下限,在平均1200°C,200公里以淺的地慢(假定其孔隙率為0.1%)讓水汽化可得到10×104大氣壓。如果有這樣的條件,就有可能出現(xiàn)水蒸氣壓等于靜水壓的情況。
3)圖爾基愿和克拉克(1969)認(rèn)為:揮發(fā)性成分在聚集過程末期,向地球表層部位濃縮。