本文叙述作为次生构造的地核的形成与脱气作用的关系问题。
水的存在给予地球的热历史以很大的影响(K.C.Conーdie,1968)。聚集过程终了时的地球,如果由于聚集过程的重力能和放射性衰变能的影响而被加热,那那么水合物可能会慢慢地分解,而水大概会向上方移动,并聚集在地球上部。若在水蒸汽压与静水压相等的条件下,则橄榄岩的融点,在2-6×104气压的压力范围内大致为1000°C1)(I.Kushiro等,1968)(参看图3.10)。在原始地球的上层,水蒸气压与静水压是否有相等的条件,还不很清楚2,但在浅的地方,引起橄榄岩熔融的温度似乎是1200°C左右。
另一方面,从不存在浓密的原始大气这一结论的角度来考虑,在聚集过程或地核形成过程中,可以认为没有发生过特别引人注目的化学反应(例如还原反应)。
原因是如果发生了某种还原反应,必定伴随发生气体(含氧的化学形式),这种气体应全部构成原始大气。因而,若以本章作者采取的立场,则聚集过程终了时,地球在化学组成上就理应是均匀的,与地球的核心等量的金属相,当时就应该均匀地分布着。
(由于金属相的沉降而形成地核,姑且不论金属相本身如何,但其周围的硅酸盐应该是柔软的,由前面的论述也可以认为原始地球中如果没有水,地球上部在1200℃左右的条件下,硅酸盐物质要发生熔融。地核周围一变柔软,金属相熔化也好好,不熔化也好,都开始斯托克斯沉降。由此放出重力位能,进而温度上升,金属相沉积就更加容易了。这样,一旦金属相得到一次沉降的机会,其后就加速度地促进沉降,在相当短的时间(1×108年)(Y.Shimazu和T.Urabe,1967)就形成好了地核。由物质均匀的地球到形成现在的成层性地球的过程中所释放出来的重力位能为2.5×1038尔格(岛津,1966),如果这些能量使整个地球的温度上升,则整个地球的温度就要高达1600°C左右(F.Birch,1965)。
大概在地核形成以后,地球立刻刻达到最高温度。而且使整个地球成为流体状态,可能靠对流把内部的能量运出(N.Fuji和S.Uyeda,1966)。
无论从哪个角度来说,在地核形成过程中,尤其是在形成终了稍后,地球球的脱气作用,在整个地球的历史上,一定是最活跃的。
一当地球表面固化,逐渐构成永恒的地壳,脱气作用就不大活跃了。即使部分地开始形成固化壳,在那里也要逐渐形成大的温度梯度,于是水就在一部分区域冷凝形成原始海洋。不稳定的固化売大概由于粘性流体的对流竟屡遭破坏。但是,只要有液体水存在,一度在其上面形成海洋的固化壳,其温度就不会升到水的沸点以上,并在水平方向上,也可以产生温度差,这大概对原始熔融地球对流方式有决定性的影响。
定量地处理脱气问题是困难的,可是将大气和海洋的进化作为时间的函数来定量的表述是基本重要的。图尔基恩(1959)认为某一挥发性成分的脱气速度与该挥发性成分在全地球中的浓度成正比,即:
dN/dt=ーλV (3.9)
式中:N是气体量;λ是该气体所特有的脱气系数。此式的形式与放射性衰变表示式完全相同。如果有挥发性成分最初就在地球的表层部位浓缩这样的前提条件3),该假定是很妥当的。不具这个条件,图尔基恩假定就没有任何具体的支持材料。另一方面,松尾(1969)认为,脱气速度与大陆生长速度成正比。这种想法直观上易于接受,但当定量化时,关于是否有哪一个大陆曾经维持同一生长速度,目前还遗留着两方面的问题,其一是,探讨这一问题的资料不足;其次是究竟怎样追溯35亿年以前古老的大陆。无论如何,定量地处理脱气问题,有待今后解决。
1)如果一点不含水,这种橄榄岩的熔点在2×104气压下可达1400°C,在5×104气压下可达1800°C。
2)作为原始地球含水量的下限,在平均1200°C,200公里以浅的地慢(假定其孔隙率为0.1%)让水汽化可得到10×104大气压。如果有这样的条件,就有可能出现水蒸气压等于静水压的情况。
3)图尔基愿和克拉克(1969)认为:挥发性成分在聚集过程末期,向地球表层部位浓缩。