http://www.meteorite.narod.ru

Навигация:

Счетчики:

Рассылки Subscribe.Ru
Новости сайта Метеориты

Яндекс цитирования

SpyLOG

Рассылка 'Новости сайта Метеориты'

Космическая пыль в океане

 

Источник: http://info.geol.msu.ru/db/msg.html?mid=1159795&s=

 

Авторы: Г.С.Ануфриев, Б.С.Болтенков

Георгий Степанович Ануфриев, доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник лаборатории масс-спектрометрии
Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН (Санкт-Петербург).

Борис Семенович Болтенков, кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник той же лаборатории.

 Введение.

Наличие вклада космического материала в океанические осадочные породы подозревалось давно, и многие морские геологи и геохимики до сего времени связывают некоторые стороны океанического рудогенеза (например, такие компоненты руд как железо, никель, кобальт) со значительными поставками на дно океана космической пыли [1, 2]. Поэтому вопрос о величинах потока космического вещества на Землю не потерял своей актуальности до настоящего времени. Мы попытаемся рассмотреть явление "космическая пыль в Океане" на изотопном уровне. Показать, что космическая пыль транспортирует в Океан солнечную "плазму", поток которой создает неповторимую изотопную метку, которая предоставляет в распоряжение исследователей ряд перспективных возможностей. В частности, космический (или солнечный) трассер позволяет развить уникальный (не использующий закономерности радиоактивного распада) метод датирования осадочных пород, основанный на стабильных изотопах - метод, позволивший решить некоторые дискуссионные вопросы морской геохронологии (скорость роста и возраст железомарганцевых конкреций). Рассмотрены и обозначены другие стороны явления присутствия космической пыли в Океане. Базовые исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ по проектам 93-05-08681 и 96-05-64578.

Мировой океан занимает около 71% земной поверхности. На океаническом дне находятся разнообразные полезные ископаемые и протекает интенсивный рудогенез. Для количественного анализа и понимания процессов, происходящих на океаническом дне, необходимо знание скоростей роста и возраста осадочных пород, сформировавшихся поверх коренных пород дна океана. Океанические осадки, по сути дела, - летопись последних, по крайней мере, 50 млн. лет Земли. Для того, чтобы "прочитать" содержащуюся в ней информацию, необходимы надежные методы определения скоростей роста и возраста океанических отложений. Эта геохронологическая задача нашла свое первое решение при помощи неравновесных методов ядерной геохронологии.

 

Исчезнувшее семейство

При исследовнии химического состава океанической воды было выяснено, что в ней содержится 2,5*10-9 г урана. При распаде урана образуется семейство радиоактивных элементов (рис. 1) 234U, 230Th, 226Ra и др. со своими периодами полураспада.

Рис. 1. Фрагмент цепочки спонтанного распада изотопа урана 238U.  - период полураспада - время, в течение которого количество радиоактивного изотопа уменьшается в 2 раза за счет радиоактивного распада.

Согласно закону радиоактивного равновесия нетрудно определить ожидаемые равновесные концентрации вышеперечисленных изотопов. Однако, исследования показали, что в океанической воде содержится только несколько процентов от ожидаемого равновесного количества. Урановое семейство исчезло из воды. Вскоре оно было найдено в океанических илах [3], причем дефицит в океанической воде точно равен обнаруженному избытку в океанических илах: оказалось, что радиоактивные изотопы уранового семейства прекрасно сорбируются океаническими взвесями и глинами. Это явление послужило основой применения избыточных (неравновесных) радиоактивных изотопов для целей датирования океанических осадков. Практически используют два выражения: закон радиоактивного распада

(1),

где C и C0 - соответственно,текущая и начальная концентрации, lambda.gif (67 bytes) - постоянная радиоактивного распада, lambda.gif (67 bytes) = 0,6931/tau.gif (62 bytes) , и экспериментальную закономерность распределения радиоизотопа по глубине l образца

(2)

Скорость роста осадочной породы r находится из выражения r = lambda.gif (67 bytes) /a, а время накопления t слоя породы толщиной l равно l*a/lambda.gif (67 bytes) . Таким образом, для определения геохронологических параметров осадочной породы необходимо в эксперименте определить две величины - толщину образца l и величину a. Причем определение скорости роста и возраста будет правильным, если выполняются в природе определенные условия, главные из которых - постоянство потока радиоизотопов в океанические илы, постоянство скорости роста илов и постоянство стратиграфии исследуемой породы. Многочисленные измерения скоростей роста глубоководных океанических илов, выполненные в различных лабораториях мира, показали, что характерный порядок величин скорости роста этих объектов равен ~ 1 мм за тысячу лет.

Космогенный хронометр

Проверить соблюдение условий, при которых неравновесные методы дают верные результаты, к сожалению, не всегда возможно. А это значит, что остается доля сомнений в правильности полученных величин скоростей роста и возраста осадочных пород. Хотелось бы иметь еще хотя бы один прямой геохронологический способ. Такой способ был найден. Выяснилось, что космическое излучение, взаимодействуя с атмосферой Земли, производит радиоактивные изотопы, в том числе изотопы бериллия (10Be) и алюминия (26Al), соответственно с периодами полураспада 2,7 и 0,74 млн. лет [4]. Кстати, эти величины значительно больше, чем периоды полураспада 234U, 230Th и 226Ra, и, следовательно, использование изотопов 10Be и 26Al позволяет расширить геохронологическую шкалу в сторону более древних образцов. Эти изотопы адсорбируются на мельчайших частицах пыли и вместе с дождевой водой выпадают на поверхность Земли и, следовательно, значительная их часть попадает в океаны, а затем в донные осадки. Алгоритм расчета скорости роста и возраста осадочных пород ничем не отличается от рассмотренного ранее (1) и (2). Оказалось, что космогенные изотопы дают во многих случаях те же скорости роста, что и неравновесные методы. Осложняющим обстоятельством при арбитражном сравнении и тех, и других данных является то, что условия применимости методов практически полностью совпадают, т.е. требуется постоянство потока, скорости роста и сохранность стратиграфии в процессе формирования породы. Нарушение этих условий приведет к практически одинаковому изменению рассчитываемых параметров и не позволяет выявить ошибку в определениях. Появилась задача разработки такого метода датирования осадочных пород, при котором условия применимости были бы другими, например, не требовалось бы постоянство скорости роста.

 

Метод космического трассера - нестандартный метод датирования

Все известные прямые методы датирования основаны на закономерностях радиоактивного распада. В ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН был предложен новый прямой метод, основанный на измерении в осадочных породах концентрации космической пыли, выпадающей на Землю [5]. Можно показать, что скорость роста r, плотность потока пыли F, концентрация пыли k и плотность породы ro.gif (64 bytes) связаны соотношением

F = rro.gif (64 bytes)k (3)

Учитывая, что площадь поверхности Земли S = 5,1*1018 см2, выражение (3) позволяет определить скорость аккреции космической пыли Землей R = F*S, если скорость роста осадочной породы r, ее плотность ro.gif (64 bytes) и содержание космической пыли k известно. Заметим, важной особенностью выражения (3) является то обстоятельство, что оно не содержит линейного размера (толщины) образца l (в отличие от выражений (2)). А это значит, что использование (3) на практике не предполагает априорного непременного условия постоянства скорости роста. Более того, выражение позволяет исследовать вариации скоростей роста осадочных пород, измеряя величину r последовательно в слоях образца.

Как определить концентрацию (содержание) космической пыли в исследуемом образце? Решением задачи может быть следующее: 1) использовать отличие космической и земной распространенности элементов и изотопов. Были использованы в качестве индикаторов "космичности" Ni, Fe, Co, Os, Ir и др.; 2) использовать различие физических свойств космических пылинок и земных. Признаком космичности пытались считать сферичность формы частиц (так называемые сферулы), темную окраску поверхности, магнитность, размеры частиц.

В результате огромной проделанной работы скорость аккреции разными авторами была определена по-разному. Разброс значений лежит в диапазоне (103-109) тонн/год, т.е. разброс составляет 6 порядков, а это означает, что использованными методами задача не решается. Таким образом, выражение (3) формально позволяет находить скорость роста r осадочных пород, а фактически с приемлемой для практики точностью это сделать нельзя из-за громадной неопределенности величины k - концентрации космической пыли. И в этом геохронологическом направлении описываемый способ не применялся, пока не был найден способ более однозначного определения параметра k [5].

Солнечный ветер

Солнечная корона непрерывно расширяется в космическое пространство. Это истечение коронарной плазмы называется солнечным ветром. Средняя скорость истечения, измеренная вблизи Земли, составляет 400 км/с, а корпускулярный поток ~ 3*108 ион/см2с. Основная часть потока - это протоны. Ядра гелия (alfa.gif (64 bytes) -частицы) занимают второе место по распространенности ~ 107 alfa.gif (64 bytes) /см2с. Однако, солнечный ветер практически не проникает в атмосферу Земли из-за экранирующего действия земной магнитосферы. Но космические пылинки, Луна и др. тела солнечной системы, не имеющие магнитной защиты, интенсивно облучаются солнечным ветром. Корпускулы солнечного излучения внедряются в поверхность облучаемых тел. Концентрация внедренных (имплантированных) частиц может достигать очень большой величины, например, по изотопу 4He концентрация имплантированного гелия составляет величину ~ 1 см2/г (для пылинок микронных размеров). Изотопный состав солнечного ветра для ряда элементов хорошо известен из экспериментов с мишенями, облученными в космосе, и из результатов исследования образцов лунного грунта, доставленного на Землю. В частности, для солнечного гелия характерно отношение изотопов 3He/4He = 3,7*10-4. Важной особенностью солнечного гелия является то обстоятельство, что он обогащен легким изотопом 3He на много порядков больше, чем терригенный гелий, для которого характерно отношение 3He/4He ~ 10-8 - 10-7. Терригенные пылинки представляют основной строительный материал осадочных пород [1]. Измерения показывают, что глубоководные океанические илы за счет аккумулирования космической пыли имеют характерные изотопные отношения 3He/4He ~ 10-5, а это означает, что не менее 99% 3He в осадочных породах имеет "солнечное" происхождение и транспортированы в осадочные породы космическими пылинками. Это обстоятельство позволяет с хорошей точностью определять концентрацию космической пыли k в образцах осадочных пород. Характерный порядок величины k ~ 1 мкг космической пыли в грамме породы. Таким образом, появляется возможность определить скорость аккреции космической пыли Землей.

 

Еще раз о нестандартном методе датирования осадочных пород

Полученные результаты - малое (микрограммовое) содержание космической пыли в осадочных породах, а также то, что весь измеренный гелий-3 - это гелий космической пыли, позволяют выражение (3) видоизменить [6] следующим образом:

F(3He) = rro.gif (64 bytes) *3He (4)

где F(3He) - плотность потока изотопа 3He, транспортируемого космической пылью на океаническое дно (см3/см2год); 3He - концентрация изотопа 3He (см3/г) в образце.

Существует несколько способов определения потока F(3He): 1) используя спутниковые данные о потоке космической пыли и данные о концентрации солнечных газов в пылинках лунного грунта; 2) теоретический расчет количества космической пыли, достигающей поверхности Земли; 3) на основании данных о потоках других изотопов в том же самом образце.

Определенная нами величина потока изотопа 3He в океанические осадочные породы [7] составляет величину

F(3He) = 2,4*10-15 см3/см2год. (5)

Есть основания считать, что поток постоянен в длительном интервале времени. В этом случае выражение (4) можно применять для определения скорости роста осадочных пород

, (6)

где ro.gif (64 bytes) - плотность породы (г/см3); 3He - концентрация этого изотопа в образце (см3/г).

Формулу (6) можно рассматривать как формализованное выражение нового способа определения скоростей роста осадочных пород посредством измерения в образцах концентрации стабильного изотопа 3He. В методе ни прямо, ни косвенно не используются закономерности радиоактивного распада и, следовательно, исключается возможность ошибочного отождествления любого природного процесса, протекающего по экспоненциальному закону в осадочных породах, с радиоактивным распадом. Применение этого метода "космического трассера" не требует выполнения условия постоянства скорости роста. Выражение (6) позволяет определять как дифференциальные изменения скорости роста путем исследования чрезвычайно тонких образцов пород, так и усредненные величины при изучении толстых образцов.

Связи Солнце - космическая пыль - Океан

Проведенные исследования показывают, что солнечная плазма, космическое вещество присутствуют в океанических осадочных породах. Это обстоятельство открывает новые горизонты исследований, в том числе становятся возможными следующие направления:

1. Вариации космического излучения и солнечной активности.
2. Вариации потока космической пыли на Землю в зависимости от географических координат.
3. Скорости аккреции космической пыли в прошлом.
4. Поиск экстрасолнечного материала.
5. Потоки изотопов на океаническое дно.
6. Вариации скоростей осадкообразования в океанах.
7. Определение скоростей роста и возраста океанических осадочных пород и др.

Дальнейшие исследования посвящены изучению скоростей роста и возраста океанических глубоководных железомарганцевых конкреций.

 

Железомарганцевые конкреции (ЖМК)

Железомарганцевые конкреции находят во всех морях и океанах, а также нередко и в озерах. Однако, только глубоководные океанические железомарганцевые конкреции имеют очень большую плотность залегания, до 200 кг/м2 [2], образуя рудные поля, перспективные с точки зрения разработки полезных ископаемых. Конкреции - специфические образования донных осадочных пород. Часто они имеют неправильную сферическую форму. Средний диаметр конкреции лежит в диапазоне 4 - 8 см. ЖМК представляют собой практически полиметаллические руды. Кроме марганца и железа - основных компонентов этих руд - конкреции содержат много (до единиц процентов) Ni, Cu, Co, а также Pt (до 4 г на тонну) и другие металлы, и поэтому представляют практический интерес для металлургической и химической промышленности будущего. Считается, что железомарганцевые конкреции занимают около 10% площади океанического ложа. Запасы ЖМК с плотностью Mor_eq.gif (61 bytes) 10 кг/м2 составляют величину 340 миллиардов тонн. Однако, в исследованиях глубоководных океанических железомарганцевых конкреций до настоящего времени имеется много неясных вопросов, в том числе не существует исчерпывающей теории происхождения конкреций или количественных моделей процесса их формирования. Даже оценки их запасов по разным методикам очень сильно различаются. Не ясна скорость роста конкреций. От этой величины непосредственно зависят оценки скорости воспроизводства запасов конкреций. И хотя часть приводят величину 10 млн. тонн в год, на самом деле она может отличаться от истинной на много порядков. Поэтому вопрос о скорости роста конкреций является одним из главных вопросов в исследованиях конкреций.

Парадокс непотопляемости

Существуют две оценки скоростей роста конкреций: 1) быстрый рост конкреций (~ 1 мм/тыс. лет) и 2) медленный рост конкреций (~ 1 мм/млн. лет). Оценки быстрого роста были отвергнуты на основании неких общих соображений (влияние миграции, открытость системы).

Оценка медленной скорости роста конкреций поддерживается большей частью исследователей. Медленный рост следует из применения для решения задачи неравновесных методов ядерной геохронологии изотопов 230Th, 231Pa, 234U и их отношений, а также на основании измерения в ЖМК космогенных изотопов 10Be, 26Al. При таких исследованиях в поверхностных слоях конкреций наблюдается экспоненциальная зависимость концентрации радиоизотопов от глубины их удаления от поверхности конкреции. Если принять предположение о том, что конкреции растут с постоянной скоростью и что уменьшение концентраций радиоизотопов во внутренних слоях конкреции полностью обусловлено только радиоактивным распадом исследуемых радиоизотопов, можно рассчитать время, необходимое для наблюдаемого уменьшения концентрации радиоизотопов в различных слоях конкреции и, собственно, скорость роста конкреции. Однако, полученные этим методом медленные скорости роста конкреций входят в противоречие с рядом других экспериментальных данных. В частности, возникает вопрос, почему на поверхности дна океана находятся огромные поля конкреций, лежащих на донном иле, скорость осаждения которого в тысячи раз больше, чем скорость роста конкреций. При этом скорость осаждения ила измерена надежно различными методами, в том числе и радиационным. Это противоречие получило название "парадокс непотопляемости". Для разрешения этого парадокса некоторые исследователи выдвигали различные экзотические механизмы, которые помогали бы медленно растущим плотным конкрециям всплывать и поддерживаться на поверхности быстро осаждающегося рыхлого ила. Но убедительных механизмов не найдено. Поэтому для решения вопроса о скоростях роста ЖМК было необходимо найти принципиально новый метод определения возраста этих образований

Новый метод определения скорости роста железомарганцевых конкреций

Рис. 2. Масс-спектр высокого разрешения - триплет масс с массовым числом 3

Таким методом послужил предложенный нестандартный метод "космического трассера", основанный на измерении в образцах концентрации стабильного изотопа 3He, транспортируемого в осадочные породы космической пылью. Формализм метода основан на выражении (6) и не требует выполнения условия постоянства скорости роста. Фактически очень важно также, что закономерности радиоактивного распада (1, 2), обязательные для неравновесных методов и любых других, основанных на измерении концентрации (активности) радиоактивных изотопов, в методе "космического трассера" никак не используются.

Особенности изотопного анализа гелия в образцах ЖМК

Масс-спектрометр для анализа гелия должен удовлетворять ряду условий, два из которых (высокое разрешение и высокая чувствительность) взаимно противоречивы (рис. 2). Совместить высокие аналитические параметры удалось в магнитных резонансных масс-спектрометрах [8], впервые предложенных и сконструированных в ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН и имеющихся в распоряжении авторов.

Эффект экранирования (толстые образцы)

Использовались образцы двух типов: 1) толстые и 2) тонкие.

При получении толстых образцов толщиной ~ 10 мм из конкреции в направлении верх-низ выпиливалась сквозная колонка с основанием ~10х10 мм, проходящая через геометрический центр конкреции [7]. Затем колонка разрезалась на 7-10 образцов в перпендикулярном направлении. Каждый образец измельчался для усреднения состава по объему образца. От него отбиралась часть весом около 1 г, которая и загружалась в вакуумную экстракционную установку, соединенную в линию с масс-спектрометром.

Рис. 3. Концентрация изотопа 3He в сквозной колонке образцов, вырезанных из ЖМК...

Выяснено (рис. 3), что изотопное отношение гелия в конкрециях имеет порядок величины 3He/4He ~ 10-5, и показано, что это результат смешения солнечного гелия с отношением 3He/4He ~ 3,7*10-4, поставляемого космической пылью, и изотопного состава гелия терригенной пыли, имеющей отношение 3He/4He ~ 10-7 - 10-8.

Простой расчет показывает, что более 99% измеренной в образцах концентрации 3He является солнечный гелий, имплантированный в космические пылинки за время их существования в открытом космосе. Расчет скоростей роста r по толстым образцам показывает, что обычно величина r лежит в пределах 1 - 10 мм/тысячу лет и меняется от образца к образцу в пределах одной и той же колонки образца, варьируя по величине ~ 10 раз. Из рисунка видно также, что концентрация изотопа 3He от середины конкреции к ее краям меняется по определенному закону. Минимальное значение концентрации 3He наблюдается в образцах, расположенных вблизи геометрического центра симметрии конкреции. Это дает основание считать, что минимум на графике соответствует зародышевому центру, вокруг которого произошло формирование тела конкреции, т.е. в возрастном исчислении это самый древний фрагмент конкреции. Для верхней полуплоскости конкреции наблюдается линейное увеличение концентрации изотопа 3He от центра к периферии. Скорость роста конкреции (6) является величиной, обратно пропорциональной концентрации изотопа 3He и, соответственно, уменьшается от центра к периферии. Для нижней полуплоскости эта зависимость имеет другой характер. По мере удаления от центра конкреции концентрация изотопа 3He вначале несколько увеличивается, затем достигает насыщения и немного убывает. Такой вид зависимости, вероятнее всего, отражает влияние эффекта экранирования потока космической пыли телом растущей конкреции. Поэтому для расчетов скорости роста и возраста конкреции этим методом необходимо использовать даные о концентрации изотопа 3He только для верхней полуплоскости.

 

Концентрационная экспонента (тонкие образцы)

Тонкие образцы толщиной в 0,1 - 1,0 мм приготавливались в виде порошка при стачивании фрезой поверхности ЖМК [9]. Толщина снятого слоя ЖМК в этом случае совпадает с толщиной слоев, используемых при применении для целей датирования радиоактивных изотопов. В результате получено, что тонкие слои конкреций растут с теми же скоростями, что и толстые образцы ~ 1 мм/тыс.лет. С целью исследования закономерности распределения концентрации изотопа 3He в приповерхностных слоях конкреций с поверхности последовательно снималось до 10 слоев, каждый толщиной 0,1 мм. Априори можно было ожидать, что концентрация 3He в этих тонких слоях будет постоянной, тогда будет постоянной и скорость роста конкреции. Только в этом случае применение радиоизотопных методов, по крайней мере, для определения скоростей роста тонких приповерхностных слоев вполне оправдано.

Рис. 4. График концентрационной зависимости изотопа 3He от глубины расположения слоев конкреции...

Результаты экспериментов такого рода с конкрецией весом около 0,5 кг из рудной провинции Кларион-Клиппертон приведены на следующем рисунке (рис. 4), на котором в полулогарифмичесих координатах показано изменение концентрации изотопа 3He в зависимости от глубины расположения слоя l , отсчитанной от поверхности. Числами рядом с экспериментальными точками показана скорость роста слоев конкреций в единицах мм/103 лет. Из рисунка видны следующие регулярные изменения концентрации: два участка графика (1 и 3) аппроксимируются отрезками падающих прямых и один (промежуточный, 2) - отрезком нарастающей прямой. Как было выяснено в процессе снятия слоев, второй нарастающий участок связан с присутствием в конкреции тонкой глинистой прослойки. В процессе роста ЖМК после падения скорости роста до величины 0,8 мм/103 лет она стала засыпаться выпадающими из толщи воды частицами взвеси, скорость накопления которых больше, чем 0,8 мм/103 лет. Затем поток марганца и железа вновь увеличился, и на тонкой и, вероятно, не сплошной прослойке глины образовался новый, самый верхний слой конкреции. Первый участок графика в аналитической форме описывается таким образом

3He = 3He0e-bl, (7)

где 3He0 - концентрация этого изотопа при l = 0; 3He - текущее значение концентрации при l less_eq.gif (63 bytes) 0,3 мм; b - тангенс угла наклона графика. Такая же закономерность справедлива и для третьего участка графика, если начало отсчета для l перенести в точку l = 0,5, в которой скорость роста упала до минимального значения 0,8 мм/103 лет.

Таким образом, эксперимент с ЖМК показывает, что 1) экспоненциальная зависимость (7) может реализовываться для стабильного изотопа 3He и не быть связанной с радиоактивным распадом (участки графика 1 и 3 на рис. 4), 2) скорость роста (~ 1 мм/103) изменяется от слоя к слою.

Медленные скорости роста ЖМК - распространенный артефакт

Важно также следующее. Для рудной провинции Кларион-Клиппертон при использовании иониевого метода  (lambda.gif (67 bytes) = 9,2*10-6 лет-1) скорость роста ЖМК была определена (r = lambda.gif (67 bytes) /a) лежащей в диапазоне (2 - 8) мм/106 лет. А это означает, что величина тангенса угла наклона a лежит в диапазоне (12 - 46) см-1. Согласно графику на рис. 2 для первого и третьего участков, тангенс угла наклона b Eq.gif (55 bytes) 30 см-1, т.е. эта величина попадает в диапазон значений a, и в случае регистрации вместе с 3He и 230Th (иония) можно было бы получить согласно (2) принятую для этой провинции величину скорости ЖМК r = 3 мм/106 лет, что является артефактом, так как концентрационная зависимость 3He показывает, что r non_eq.gif (66 bytes) const и, следовательно, выражения (1) и (2), лежащие в основе иониевого и других радиоизотопных методов, не могут быть использованы для определения величины скорости роста и возраста конкреций.

Таким образом, медленные скорости роста глубоководных железомарганцевых конкреций (~ 1 мм/106 лет), занимающие доминирующее положение в исследованиях, посвященных океаническому рудогенезу в течение примерно 35 последних лет, являются растиражированным досадным артефактом, возникшим в результате некорректного использования радиоизотопных методов [10].

 

Как образуются конкреции

Количественную модель [8] удалось разработать на основе закономерности, обнаруженной при исследовании колонок образцов, вырезанных из ЖМК. Ветвь графика центр-верх на рис. 3 может быть записана в виде

3Hec = 3He0 + R, (8)

где beta.gif (69 bytes) = 2*10-12 см3/г* см - тангенс угла наклона отрезка прямой. Здесь величина 3He0 связана с ядром конкреции, в качестве которого обычно выступают неорганические и органические фрагменты, встречающиеся в донном иле. Второе слагаемое характеризует рост самого тела конкреции, формирующегося вокруг ядра. С учетом этого и принимая во внимание выражение (8), можно получить для скорости роста и радиуса растущей конкреции следующие связи:

(9)

Последнее выражение интересно тем, что полученная квадратичная связь между радиусом и временем характерна также и для процесса роста кристалла в растворе за счет диффузионного массопереноса. Это дает основание для разработки сорбционно-диффузионного механизма формирования конкреций, т.е. механизма роста конкреции за счет сорбции марганца поверхностью растущей конкреции при диффузионном потоке марганца, растворенного в поровой воде. Модель разработана на основе решения диффузионных уравнений Фика. Получено:

(10)

где D = 2*10-5 см2/с - коэффициент диффузии; C0 = 2*10-7 г/см3 - концентрация марганца в поровой воде; f = 0,3 - среднее относительное содержание марганца в веществе конкреции для провинции Кларион-Клиппертон (литературные данные).

Замечательной особенностью выражений (9) и (10) является то, что функциональные связи между основными параметрами - скоростью роста, радиусом конкреции, ее плотностью и временем роста одинаковы. Иными словами, при использовании потока "космического" гелия, существующего в конкрециях в виде микропримесей, не определяющих процесс формирования ЖМК (9), и потока основного рудообразующего элемента - марганца (10) получаются выражения с одинаковыми функциональными связями между основными параметрами растущей конкреции: скоростью роста, временем роста, радиусом и плотностью конкреции. Это обстоятельство выступает сильным аргументом в пользу реализуемости в природе сорбционно-диффузионного механизма формирования конкреций. Не менее убедительным доводом являются результаты расчета скорости роста и времени роста при использовании этих независимых подходов. Пусть R = 3 см; ro.gif (64 bytes) = 1,6 г/см3 для конкреции из [9], тогда:

Параметры

Космическая пыль
поток 3He

Сорбционно-диффузионная модель поток Mn

, мм/103 лет

1,2

0,9

t, тыс. лет

12

17

Таким образом, имеется удовлетворительное совпадение результатов (расхождение 40%) при абсолютно независимых подходах к решению задачи. Можно полагать, что вычисления через поток 3He более достоверны, т.к. основаны на экспериментах с данной конкрецией, скорость роста и возраст которой определяются. Вычисления через поток Mn используют величины D и C0, полученные в других экспериментах, и поэтому совпадение с точностью до 40% можно считать вполне хорошим. Вероятно, самое главное в этой связи то, что расчет скорости роста через поток марганца приводит к быстрому росту конкреции (~ мм/103 лет) и поддерживает эту величину, полученную методом космического трассера.

Вопрос о механизме формирования ЖМК имеет важное значение в океанологии, т.к. он связан с транспортом Mn и Fe в океаны и физико-химическими процессами, происходящими в донном иле.

Вместо эпилога

Хорошо известна связь Океан-Солнце на уровне лучистой энергии, поглощаемой водной толщей, связь, которая определяет многие глобальные процессы на Земле.

В изложенном материале используется (и исследуется) связь на уровне солнечной плазмы, которая попадает в океанические осадочные породы, используя в качестве носителя космическую пыль (микрометеочастицы). В вещественном балансе океана доля солнечной плазмы очень невелика, но именно она создает заметные, а по изотопу гелий-3 - громадные изотопные сдвиги, которые позволяют решать фундаментальные и прикладные задачи в океанологии, в гео- и космохимии.

В работе акцентировано внимание на возможности использования солнечного гелия (космический трассер) для геохронологических исследований осадочных пород и, в частности, для определения скоростей роста и возраста глубоководных железомарганцевых конкреций. В этом направлении получено "уточнение" этих параметров в тысячу раз, иными словами, показано, что существовавшие в последние 35 лет оценки скоростей роста ЖМК (~ 1 мм/106 лет) являются артефактами, которые приводили к существованию неразрешимого, несмотря на многие попытки, парадокса непотопляемости и другие геохронологические и геохимические "нестыковки". Установление порядка скорости роста ~ 1 мм/103 лет и вариаций этого параметра в колонках, вырезанных из тела конкреций, а также анализ полученных закономерностей позволили разработать первые количественные модели механизма формирования конкреций (сорбционно-диффузионный механизм), который абсолютно независимым образом приводит также к быстрым скоростям роста ЖМК ~ 1 мм/103 лет.

Многие перспективные направления исследований, упомянутые в тексте работы, основаны на связи Океан - космическая пыль - Солнце еще ждут своего развития, и в этом смысле проделанная работа является только одним из этапов исследования и использования этой связи. В этом смысле работа находится в развитии и далека от завершения, т.е. не имеет своего эпилога.

 

Литература

Лисицын А.П. Осадкообразование в океанах.М.: Наука. 1974, 438 с.
Андреев С.И. Металлогения железомарганцевых конкреций Тихого океана. С.-Петербург, Недра, 1994, 191 с.
Старик Е.И. Ядерная геохронология. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1961, 630 с.
Шуколюков Ю.А. Часы на миллиард лет. М.: Энергоатомиздат, 1984, 144 с.
Ануфриев Г.С., Крылов А.Я. и др. // ДАН. 1977. т.237. N 2. С.284-287.
Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С., Капитонов И.Н. // ДАН. 1989. т.304. N 3. С.702-705.
Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С. // Литология и полезные ископаемые. 1996. N 5.
С.552-560.
Ануфриев Г.С. Анализ неорганических газов. Л.: Наука, 1983. С.56-77.
Ануфриев Г.С., Болтенков Б.С. // Литология и полезнае ископаемые. 1997. N 5. С.451-457.
Ануфриев Г.С. // ДАН. 1999. т.364. N 5. С.683-686.

 

 

  Добавить эту страницу в Закладки.ру

Home | О нас | Новости | Каталоги | Если ВЫ нашли метеорит | Статьи и сообщения | Метеоритная коммерция | Фотоколлекция метеоритов | "Метеориты" для народа | Книги | Кратеры | Мемориал
Ссылки | Фотогалерея | Форум | Гостевая книга| Свяжитесь с нами

 

Meteorite web site, 2001.
webmaster


Настоятельно рекомендуется использовать для просмотра браузер Internet Explorer 4.0 и выше. 

Прошивка apple iphone 3g на сайте. | холодильные камеры посылающий | Отличный амперметр. Со склада. | секс-шоп | Аналитика! Сдача экскаваторов komatsu в аренду. Удобно
Hosted by uCoz