Слои мантии


Мантия Земли – это наиболее важный участок нашей планеты, так как именно тут сосредоточена большая часть веществ. Он намного толще, чем остальные компоненты и, по сути, занимает большую часть пространства – около 80%. Изучению именно этой части планеты ученые посвятили большую часть времени.

Строение мантии ученые могут только предполагать, так как методов, которые бы однозначно дали ответ на данный вопрос, пока что не существует. Но, проведенные исследования дали возможность предположить, что данный участок нашей планеты состоит из таких слоев:

  • первый, наружный – он занимает от 30 до 400 километров земной поверхности;
  • переходная зона, которая расположена сразу за наружным слоем – по предположениям ученых она уходит вглубь примерно на 250 километров;
  • нижний слой – его протяжность самая большая, около 2900 километров. Он начинается сразу после переходной зоны и идет прямо к ядру.

Следует отметить, что в мантии планеты есть такие горные породы, которых нет в земной коре.


Само собой, что точно установить из чего состоит мантия нашей планеты, нельзя, так как добраться туда невозможно. Поэтому, все, что удается изучить ученым, происходит при помощи обломков этого участки, которые периодически появляются на поверхности.

Так, после ряда исследований удалось выяснить, что этот участок Земли черно-зеленого цвета. Основной состав — это горные породы, которые состоят из таких химических элементов:

  • кремний;
  • кальций;
  • магний;
  • железо;
  • кислород.

По внешнему виду, а в чем-то даже и по составу, она очень похожа на каменные метеориты, которые также периодически попадают на нашу планету.

Вещества, которые находятся в самой мантии, жидкие, вязкообразные, так как температура на данном участке превышает тысячи градусов. Ближе к коре Земли температура снижается. Таким образом, происходит некоторый круговорот – те массы, которые уже охладились, спускаются вниз, а разогретые до предела попадают наверх, поэтому процесс «смешивания» никогда не прекращается.

Периодически, такие разогретые потоки попадают в самую кору планеты, в чем им оказывают содействие действующие вулканы.

Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.

Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:


  • скорость сейсмических волн;
  • сила тяжести;
  • характеристики и показатели электропроводности;
  • изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.

Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.

Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.

Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.

Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.


Распределение давления в пределах мантии неоднозначно, собственно как и температурного режима, но обо всем по порядку. На долю мантии приходится больше половины веса планеты, а если сказать точнее, то 67%. В участках под земной корой давление составляет около 1,3-1,4 млн.атм., при этом, следует отметить, что в местах, где расположены океаны, уровень давления существенно спадает.

Что же касается температурного режима, то здесь данные вовсе неоднозначны и базируются только на теоретических предположениях. Так, у подошвы мантии предполагается температура в 1500-10 000 градусов по Цельсию. В целом, ученые предположили, что температурный уровень на данном участке планеты более близок к температуре плавления.

Источник: ECOportal.info

Слои мантии

Внутренняя структура Земли [вместе с ее составом] является одним из первых предметов, которые учащиеся изучают в школе по географии / геологии. Это дает нам приблизительное представление о далеком прошлом Земли и о том, как жизнь, как мы знаем сегодня, появилась на этой планете.


Поскольку невозможно непосредственно наблюдать глубины планеты, наше текущее понимание этого вопроса полностью основано на топографических исследованиях поверхности и анализе вулканических выбросов и сейсмических волн.

Землю можно просто разделить на три слоя: кору, мантию и ядро, но другие слои также распознаются благодаря своим уникальным химическим свойствам и плотности. Ниже приведены важные слои земли, которые вы должны знать.

Земная кора

Слои мантии
Схема среза внутренней структуры земли | Изображение предоставлено USGS

Кора — это самый внешний слой земли, глубина которого колеблется от 5 до 70 км. Земная кора состоит из трех основных типов камней; магматические, осадочные и метаморфические наиболее распространенные из магматических (гранит и базальт).

Корка делится на два типа; океаническая кора и континентальная кора. Линия или граница, которая разделяет эти два, называется разрывом Конрада.

Океаническая кора

Океаническая кора простирается от 5 до 10 км ниже морского дна. Он в основном состоит из мафических пород (базальт) и часто упоминается как Сима (силикат магния). Плотность океанической коры составляет около 3 г / см3.


Океаническая кора непрерывно формируется в середине океанических хребтов в процессе, называемом распространением морского дна. Когда магма поднимается из разлома, она распространяется и постепенно остывает, превращаясь в новую океаническую кору. Возраст океанической коры можно определить по ее удаленности от срединно-океанических хребтов.

Этому процессу противостоит разрушение океанической коры в зонах субдукции. Зона субдукции — это место, где одна плита (как океаническая, так и континентальная) подчинена мантии вышележащей плитой.

Из-за этой «переработки» океанической коры они намного моложе континентальной коры. Самой древней сохранившейся океанической коре около 340 миллионов лет, в то время как континентальной коре в некоторых регионах столько же лет, сколько и самому возрасту Земли.

Континентальный разлом

Континентальная кора полностью состоит из скалистых пород, таких как гранит. Он толще (30-50 км), чем океаническая кора, но также менее плотен (2,7 г / см3). Как и океаническая кора, континентальная кора образована тектоникой плит, но гораздо менее разрушена.

Верхняя мантия

Прямо под земной корой лежит мантия, которая разделена на два основных слоя; верхняя и нижняя мантия. Мантия в целом составляет около 84% объема земли.


Расчетная глубина верхней мантии составляет около 640 км, а всей мантии (включая нижнюю мантию) — ок. Глубина 2900 км.

Граница, которая отделяет земную кору от верхней мантии, называется разрывом Мохоровича (для краткости Мохо), однако она не обнаружена на одинаковой глубине. Мохо был обнаружен хорватским сейсмологом Андрией Мохоровичем в 1909 году.

В этом слое расположены две механически разные области, а именно литосфера и астеносфера.
литосфера

Литосфера — это твердый и жесткий слой земли, который включает в себя кору и самый верхний участок верхней мантии. Литосфера бывает двух типов; континентальная литосфера (расширение континентальной коры) и океаническая литосфера.

Континентальная литосфера состоит в основном из фельсиковых пород (пород с высоким содержанием кремнезема). Океаническая литосфера, с другой стороны, почти полностью состоит из перидотита (ультрамафитовой породы с низким содержанием кремнезема) и более плотной, чем континентальная литосфера.

Астеносфера

Слои мантии
Астеносфера показана на границе субдукции

Под литосферой лежит гораздо более плотный и механически слабый слой астеносферы. Хотя этот слой обычно располагается где-то между глубинами 80 и 200 км, в некоторых регионах он может простираться на 700 км ниже поверхности Земли.


Давление и температура в астеносфере настолько высоки, что породы становятся полурасплавленными. Интересно, что астеносфера гораздо более пластична, чем нижняя мантия, где температура намного выше. Граница литосферы и астеносферы (LAB) — это то, что разделяет два слоя, а его глубина определяется очевидными изменениями химических и термических свойств горных пород.

И литосфера, и астеносфера связаны с тектоникой плит — геонаучной теорией, которая описывает движение литосферных блоков, известных как тектонические плиты.

Проще говоря, жесткая астеносфера «плавает» на вершине пластичной астеносферы, заставляя тектонические плиты двигаться. Геологические виды деятельности, такие как землетрясения и извержения вулканов, обычно связаны с тектоникой плит.

Переходная зона

Переходная зона представляет собой отчетливый слой в мантии Земли между глубинами 410 км и 660 км ниже поверхности. Здесь из-за высокой температуры и давления породы становятся более плотными и претерпевают структурные изменения (кристаллизация).

Исследования показали, что переходная зона мантии содержит столько же воды, сколько и океаны Земли. Однако вода существует там только в форме гидроксид-ионов. На глубинах 525-660 км гидроксид-ионы улавливаются минералами из оливина, такими как вадслиит и рингвудит.


Нижняя мантия

Между переходной зоной и ядром лежит нижняя мантия. Он простирается от 660 км до примерно 2900 км ниже поверхности Земли. Температура в нижней мантии колеблется от 1900 до 2630 К, в зависимости от глубины. Хотя эта область намного горячее и плотнее верхней мантии, она гораздо менее пластична.

Нижняя мантия в основном состоит из минералов, таких как кальциево-силикатный перовскит и ферропериклаз, оба происходят из рингвудита.

На основе сейсмической модели Предварительная эталонная Земля (PREM) нижняя мантия может быть разделена на три секции; самая верхняя нижняя мантия, средне-нижняя мантия и слой D ”.

Граница Ядро-Мантия

Граница ядро-мантия — это место, где богатая силикатами нижняя мантия взаимодействует с никель-железным внешним ядром. Он расположен примерно на 2890 км ниже земной поверхности и соответствует скачкам сейсмической скорости. Граница также известна как разрыв Гутенберга.

Ядро

Слои мантии
Внутренняя структура Земли

Ядро Земли — самая горячая и самая плотная часть нашей планеты. Считается, что он почти полностью состоит из Никла и Айрон. Ядро делится на два слоя; твердое внутреннее ядро и жидкое внешнее ядро, а граница, разделяющая эти две области, называется разрывом по Буллену.


Внешнее ядро

Внешнее ядро простирается от 2900 км до примерно 5150 км ниже поверхности Земли. Несмотря на то, что точную температуру ядра Земли практически невозможно измерить, по оценкам, она находится где-то между 3000 К и 4500 К вблизи ее верхних областей. Он может подняться до 8000 К вблизи своей границы с внутренним ядром.

Слои мантии
Иллюстрация динамо-механизма

Внешнее ядро, по-видимому, имеет очень низкую вязкость, что вызывает сильную конвекцию в этой области. Согласно теории динамо, жидкое никель-железное внешнее ядро ​​- то, что питает магнитное поле Земли. Средняя напряженность магнитного поля внешнего ядра (2,5 миллисела) примерно в 50 раз выше, чем у поверхности.

Внутреннее ядро

В отличие от жидкого внешнего ядра, внутреннее ядро ​​Земли является твердым и имеет общий радиус 1220 км. Его расчетная температура близка к 5700 К, аналогично температуре внешней поверхности Солнца. Хотя температуры во внутреннем ядре намного превышают температуру плавления железа, он остается твердым из-за сильного давления, оказываемого остальной частью земли.


Поскольку внутреннее ядро ​​соединено с жидким внешним ядром, оно может вращаться с несколько иной скоростью, чем остальные. Эта теория была подтверждена исследованием, проведенным в 2005 году.

Анализируя разрывы в сейсмических волнах, исследователи смогли сделать вывод, что внутреннее ядро ​​Земли фактически вращается быстрее, чем остальная часть Земли, примерно на 0,3–0,5 градуса в год, что в 50 000 раз превышает тектоническое движение плиты.

Внутреннее ядро ​​растет примерно на 1 мм / год. Поскольку тепло от внешнего ядра передается в мантию, это заставляет внутреннюю часть жидкой области замерзать или затвердевать, а внутреннее ядро ​​толкаться вверх.

Внутреннее Внутреннее Ядро

В 2015 году, изучая эхо землетрясений, исследователи получили ранее неизвестные сведения о внутреннем ядре Земли. Исследование предполагает, что есть внутренний слой во внутреннем ядре. Он дублирован как внутреннее внутреннее ядро. Этот слой отличается от внутреннего ядра так же, как внутреннее ядро отличается от внешнего ядра.

Источник: new-science.ru

Мантия заключена между поверхностями Мохоровичича и Вихерта – Гуттенберга. На её долю приходится 83% объема Земли и почти 67% массы. Традиционно сейсмологические данные позволяли выделять в её пределах верхнюю мантию (слой В), среднюю мантию (слой С) и нижнюю мантию (слои D’ и D»).

В традиционной модели строения мантии Земли верхняя мантия отделена от средней границей раздела на глубине около 410 км, при переходе через которую скорость сейсмических волн возрастает (продольных от 7,9 ÷ 9,0 до 9,0 ÷ 11,4 км/с; поперечных от 4,5 ÷ 5,0 до 5,0 ÷ 6,4 км/с).

Средняя мантия (слой Голицына) отделяется от нижней на глубине 950 ÷ 1000 км. Ниже этой поверхности раздела скорость сейсмических волн нарастает плавно и меняется для продольных волн от 9,0 ÷ 11,4 до 11,4 ÷ 13,6 км/с; для поперечных — от 5,0 ÷ 6,4 до 6,4 ÷ 7,3 км/с. Иногда среднюю мантию рассматривают в составе верхней в качестве нижнего слоя.

Нижняя мантия (слои D’ и D») прослеживается до глубины 2900 км.

Граница раздела чёткая, так как здесь происходит резкое падение скорости распространения упругих колебаний до 8,1 км/с, а поперечные колебания не прослеживаются. В основании нижней мантии, по снижению скорости продольных волн до 12,6 км/с, выделяют переходную оболочку (слой D»), которая располагается в интервале глубин 2700 ÷ 2900.

В соответствии с моделью строения мантии, предложенной Ю.М.Пущаровским, в ней, как уже указывалось, выделяется не три, а шесть подразделений: верхняя мантия, состоящая из верхней и нижней частей, зона раздела I, средняя мантия, зона раздела II и нижняя мантия. Меняются и границы, определяющие кровлю и подошву выделенных оболочек. Дальнейшее рассмотрение строения и состава мантии будет проводиться в соответствие с моделью Ю.М.Пущаровского. Верхняя мантия расположена между подошвой земной коры (поверхность М) и границей раздела на глубине 670 км. На глубине 410 км верхняя мантия, согласно представлениям Ю.М.Пущаровского, разделена на верхнюю и нижнюю части. Верхняя часть в традиционных моделях мантии соответствует всему объёму верхней мантии. В свою очередь она состоит из двух основных слоёв. Верхний слой (субстрат по Е.Люстиху) совместно с земной корой образует литосферу. Эта жёсткая оболочка, характеризующаяся высокой прочностью и упругими свойствами, залегает на ослабленном, пластичном астеносферном слое. Надастеносферный слой мантии имеет преимущественно перидотит-эклогитовый состав, плотность до 3,3 г/м и скорости распространения сейсмических волн 7,9 ÷ 8,4 км/с. В связи с этим его иногда называют перидотитовым слоем.

Подошва литосферы определяется положением температурной поверхности солидуса мантийного вещества (порядка 13000 С). Под материками подошва литосферы залегает на глубинах от 150 ÷ 200 км под молодыми платформами до 250 ÷ 350 км под щитами древних платформ, тогда как под океанами от 7 ÷ 10 км под гребнями срединно-океанических хребтов до 30 ÷ 90 км под абиссальными участками дна.

Такое существенное различие в мощностях континентальной и океанической литосферы объясняется более древним возрастом первой.

Согласно представлениям О.Г.Сорохтина, подкоровые части литосферы образуются за счёт охлаждения и полной кристаллизации горячего мантийного вещества. Как результат этого процесса происходит увеличение мощности литосферы по корневой зависимости от возраста плиты.

Самая мощная литосфера (до 350 км) будет наблюдаться под щитами древних платформ с возрастом коры 2 млрд. лет и более. В этих районах практически вся верхняя часть верхней мантии будет входить в состав литосферной оболочки.

Важной особенностью строения литосферы, как и земной коры, является её тектоническая расслоенность. Наиболее явно проявляется это свойство в активных горноскладчатых областях, где наблюдается иногда несколько поверхностей дисгармонии слоёв литосферы. На Памире и в прилегающей Таджикской депрессии, например, установлены признаки новейшего дисгармоничного смятия и срыва мезозойско-кайнозойского осадочного комплекса относительно жёстких палеозойских образований. В пределах консолидированной коры этих регионов отмечаются коровые волноводы, а сейсмоактивные наклонные разломы на глубине 30 ÷ 40 км срезаны субгоризонтальной зоной концентрации гипоцентров землетрясений.

Устанавливается также пространственное несовпадение зон концентрации коровой сейсмичности и Гиндукушской мантийной сейсмофокальной зоны.

Явления дисгармонии охватывают всю литосферу и верхнюю мантию Памиро-Таджикского региона на глубину до 250 км.

На существование сравнительно пластичного слоя на границе «гранитного» и «базальтового» слоёв коры древних платформ указывалось выше. В нижней части литосферы (ниже подошвы коры) в ряде регионов также устанавливается горизонтальная неоднородность. Глубинное сейсмическое зондирование Восточно-Европейской платформы показало, что на глубине 30 км от поверхности М находится слой мощностью около 10 км с относительно пониженными скоростями распространения упругих волн (до 8,1 ÷ 8,2 км/с). Ниже его выделяется ещё один слой мощностью около 15 км со скоростью продольных волн порядка 8,5 км/с. Это доказывает расслоенность мантийной части литосферы (субстрата), а, следовательно, литосферы в целом, и в пределах платформ. По данным Ю.П.Непрочнова, структурно-динамическая расслоенность выявляется и для океанической литосферы. Ряд учёных полагают, что тонкая структура нижней литосферы установлена надежно.

Всё это позволяет говорить о тектонической расслоенности (деламинации) литосферы в целом, допускать возможность горизонтального перемещения масс в самой литосфере по различным уровням, рассматривать её как сочетание подвижных зон пониженной вязкости и прочности (астенослои и астенолинзы) с более вязкими и прочными литопластинами и литоблоками.

В латеральном отношении литосфера Земли также не является сплошной оболочкой, а состоит из нескольких крупных плит, границами которых являются зоны повышенной сейсмичности и вулканизма.

Следовательно, литосферу можно представить себе как слоисто-блоковое образование. Литосфера расположена на астеносфере — важнейшей оболочке верхней мантии. На существование последней было указано американским геологом Дж.Баррелом ещё в 1914 г. В 1926 г. Б.Гутенберг отметил первые её геофизические признаки в виде снижения скорости распространения упругих волн.

Положение кровли и подошвы астеносферы будет определяться пересечением кривой изменений температуры мантии с кривой изменения температуры солидуса мантийного вещества. В пределах астеносферы происходит частичное (от 1 до 10%, по А.Рингвуду) расплавление базальтовых составляющих. Базальтовые жидкости заполняют межгранулярные пространства между более тугоплавкими кристаллами перидотита, образующими упругий каркас ослабленного слоя. О частичном расплавлении вещества астеносферы свидетельствует также резкое возрастание в её пределах электропроводности, получаемое по данным магнитотеллурического зондирования.

Экспериментальные исследования показывают, что при частичном плавлении ультраосновных пород при давлении 103МПа первые порции базальтового расплава возникают в местах тройных сочленений зерен породы и образуют взаимосвязанную систему каналов при сохранении скелета (матрицы) породы. На этом основании А.В.Каракин и Л.И.Лобковский выдвигают и расчётами обосновывают положение о слоистой структуре астеносферы. По их данным, мощность двухфазового слоя с сообщающимися порами не может превышать некоторой предельной величины, при достижении которой у кровли слоя происходит гидроразрыв скелета породы поровым давлением каверн, заполненных расплавом. Выше поверхности гидроразрыва могут существовать лишь изолированные магматические камеры в однофазной среде. Ещё выше может вновь появиться слой двухфазной среды с сообщающимися порами и т.д. Таким образом, астеносфера может иметь слоистое строение с чередованием двухфазных и квазиоднофазных слоёв. В двухфазных слоях может происходить вертикальная фильтрация магмы. В кровле слоёв расплав локализуется в каверны, соединяющиеся в систему горизонтальных каналов.

Допускается существенно горизонтальная миграция магмы. При этом она может скапливаться в зонах глубинных разломов, в случае если они проникают в астеносферу и создают в её пределах области пониженного давления. Таким механизмом можно объяснить, в частности, образование вулканических очагов, питающихся из астеносферы.

Идея слоистого строения астеносферы находит подтверждение в сейсмических материалах. Так, в переходной зоне Азиатского материка к Тихому океану, по данным Р.З.Тараканова и Н.В.Левого, выделяются четыре обособленных астеносферных слоя на глубинах 65 ÷ 90, 120 ÷ 160, 230 ÷ 300 и 370 ÷ 430 км.

В последние годы были получены дополнительные доказательства слоистого строения астеносферы. Изучение сейсмических явлений при подземных ядерных взрывах, проведённых в российском Центре ГЕОН, показало, что в верхней мантии территории России (районы Западной и Центральной Сибири) фиксируется, по крайней мере, три слоя с пониженной скоростью сейсмических волн на глубинах 75 ÷ 115 км, 140 ÷ 170 км и 200 ÷ 260 км. Учёные Центра (А.В.Егоркин и др.) объясняют это явление химической зональностью верхней мантии. По их мнению, слои с пониженной скоростью сложены пиролитом (т.е. исходным веществом мантии), а слои с повышенной скоростью — тугоплавкими компонентами (дунит, перидотит), которые выделялись в результате частичного плавления пиролита. В первом случае Vp = 8,02 ÷ 8,23 км/с, во втором — 8,34 ÷ 8,60 км/с.

Доказательная картина наличия латеральных неоднородностей и внутренней расслоенности верхней мантии была получена глубинным сейсмическим зондированием на сверхдлинных геотраверсах через Северную Европу. На приводимом рисунке чётко выделяются три астеносферных слоя с пониженной скоростью сейсмических волн. Принципиально сходная картина установлена также в верхних 150 км мантии на северо-западе Тихого океана.

Привёденные факты позволяют считать реальностью идею слоистого строения астеносферы, хотя причины этого явления окончательно ещё не понятны.

Наиболее отчётливо астеносферный слой выделяется в горно-складчатых областях и в районах островных дуг; на платформах, в особенности под щитами, он выделяется нечётко. По мнению И.П.Косминской, чёткость сейсмического проявления астеносферы определяется ее насыщенностью областями пониженных скоростей, которые не представляют собой непрерывных слоев, а образуют линзовидные прерывистые тела. С существованием астеносферы связывают явление и зостазии, которое выражается в стремлении литосферы к равновесному состоянию. Существует два способа осуществления изостазии. Первый состоит в том, что горы обладают корнями, погружёнными в мантию, и изостазия обеспечивается вариациями мощности земной коры (модель Дж.Эри). В этом случае нижняя поверхность коры обладает обратным рельефом по отношению к земной поверхности. Возникают так называемые «корни гор».

Модель Дж.Пратта даёт другое объяснение изостазии: участки повышенного рельефа должны быть сложены менее плотными породами, а районы с пониженным рельефом — более плотными. Подошва земной коры должна иметь горизонтальный характер.

На самом деле, уравновешенность континентов и океанов достигается сочетанием обоих механизмов. Гравиметрические исследования показывают, что в целом поверхность нашей планеты находится в состоянии, близком к равновесному. Астеносфера и является тем пластичным слоем, который выравнивает давления разновысотных и разноплотностных блоков литосферы. Примерно на глубине 100 км давление литосферы оказывается одинаковым вне зависимости от рельефа местности. Однако, по данным М.Е.Артемьева, имеется отклонение от этого правила. В частности, существенными изостатическими аномалиями обладают подвижные пояса земного шара, прежде всего, островные дуги и сопряжённые с ними глубоководные желоба.

Таким образом, астеносфера, с одной стороны, служит генератором тектонической активности литосферы, поскольку в её пределах происходит движение магматических масс, с другой стороны, — это область затухания движений литосферы, своеобразный амортизатор, «смягчающий» проявление в литосфере активности глубинных недр Земли. Учитывая высокую тектоническую активность астеносферы, инициирующую роль в возникновении тектонических движений, землетрясений, магматизма, её, совместно с литосферой объединили в тектоносферу. Поскольку астеносфера с субстратом заполняли практически всю верхнюю мантию, то в традиционных моделях строения Земли под тектоносферой понимали земную кору с верхней мантией до глубины 410 км.

Таким образом, тектоносфера в современном понимании — это земная кора и вся мантия в целом.

Нижняя часть верхней мантии в интервале глубин 410 ÷ 670 км проходит под тремя наименованиями: слой Голицына, средняя мантия, переходная зона между верхней и нижней мантией. Согласно представлениям Ю.М.Пущаровского, эту оболочку мощностью порядка 260 км следует рассматривать как нижнюю составную часть верхней мантии.

В составе верхней мантии, согласно современным воззрениям, преобладают следующие химические элементы: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. В соответствии с химическим и минеральным составом петрологические модели верхней мантии получили название пиролитовой, лерцолитовой, пиклогитовой и эклогитовой.

Наиболее традиционна пиролитовая модель мантии. Она была предложена А.Э.Рингвутом в 1962 г. Он предположил, что первичное мантийное вещество было представлено пиролитом — условной пироксеновооливиновая породой, состоящая их трёх частей перидотита и одной части гавайских базальтов. Состав пиролита определяется тем, что при фракционном плавлении он дает базальтовую магму. В пиролите отношение базальт/перидотит принято равным примерно 1/3. Комбинируя различные базальты с дополнительными ультрабазитами, получают несколько различающиеся составы пиролита. Однако определенные разными способами пиролитовые составы находятся в хорошем согласии друг с другом.

А.Э.Рингвуд замечает, что, видимо, в нем несколько завышено содержание Al2O3. Петрохимические исследования при высоких давлениях и температурах показали, что в верхней мантии до глубин 350–400 км, вещество пиролитового состава должно кристаллизоваться в форме минеральной ассоциации, содержащей оливин, пироксены и гранат.

Лерцолитовая модель предложена Л.В.Дмитриевым в 1969 г. В отличие от пиролитовой, она является эмпирической и основана на анализе большого количества каменного материала, собранного в рифтовых зонах срединноокеанических хребтов Мирового океана. Лерцолит верхней мантии состоит из смеси пяти частей перидотита-гарсбургита и одной части толеитового базальта океанических рифтовых долин. Рассчитанная плотность вещества мантии по лерцолитовой модели более точно соответствует сейсмическим данным, чем другие модели.

Пиролитовая и лерцолитовая модели принципиально между собой не расходятся и подразумевают, что петрологический состав верхней мантии близок к таковому во всей более глубокой мантии.

Пиклогитовая модель предполагает доминирование пироксен гранатовой ассоциации и имеет более чётко выраженный химический контраст с остальной мантией. Более частная эклогитовая модель допускает присутствие в верхней мантии эклогитовых линз и блоков.

Все рассмотренные петрологические модели верхней мантии весьма обобщённые и гипотетические. Наиболее простой и распространенной является пиролитовая модель.

Граница раздела внутри верхней мантии на глубине 410 км объясняется структурной перестройкой оливина α — (Mg,Fe)2SiO4 в вадслеит, β -(Mg,Fe)2SiO4, что сопровождается возникновением более плотной фазы с большими коэффициентами упругости. В этом случае скорость сейсмических волн должна возрасти на 13%. На самом же деле, на глубине 410 км она увеличивается всего на 3 ÷ 5%. Чтобы избежать противоречий между петрологической моделью верхней мантии и сейсмологическими данными, допускается вхождение дополнительных атомов железа и водорода в структуру вадслеита, что приводит к уменьшению жёсткости вещества мантии, и, соответственно, к снижению скорости распространения сейсмических волн. Как предполагает Ю.М.Пущаровский, обогащение вадслеита железом должно вовлечь в реакцию большое количество оливина мантии. В свою очередь это должно сопровождаться изменением химического состава пород вблизи границы раздела «410».

В нижней части верхней мантии (410 ÷ 670 км), вероятно, преобладают фазы со структурными типами граната и шпинели. Их образование связано с трансформацией пироксена (Mg,Fe)SiO3 в гранат Mg(Fe,Al,Si)2Si3O12 и вадслеита β — (Mg,Fe)2SiO4 в рингвудит γ-модификацию (Mg,Fe)2SiO4 со структурой шпинели. Современные модели состава мантийных пород допускают присутствие в них алюминия в количестве до 4 вес.%. В верхней мантии он может быть сосредоточен в таких минералах как корунд А12О3 или кианит Al2SiO5.

Важным компонентом нижней части верхней мантии (интервал 410 ÷ 670 км), по мнению американского ученого А.Томпсона, является вода, содержание которой составляет примерно 0,1 вес.%. Она находится в связи с Mg-силикатами. Количества запаянной в этой оболочке воды было бы достаточно, чтобы покрыть поверхность Земли слоем мощностью до 800 м.

В последние годы получили распространение представления о более существенной роли флюидов в составе мантии. По данным японских исследователей даже в нижней мантии может содержаться до 0,2 ÷ 0,4 валовых процентов H2O. Присутствие флюидов (H2O, CO2, CO, N2, возможно CH4 и H2) существенно влияет на вязкость, температуру плавления и другие параметры мантии.

Зона раздела I (670 ÷ 840 км) характеризуется сложными полиморфными переходами минералов. Проведённые лабораторные исследования с использованием камер с алмазными наковальнями, позволили смоделировать некоторые особенности структуры и состава этой оболочки.

Наиболее вероятным является то, что здесь происходит трансформация оливина в перовскит (Mg,Fe)SiO3 и магнезиовюстит (Mg,Fe)O. Нижняя граница зоны раздела I определяется переходом представителя семейства граната пиропа Mg3Al2Si3O12 в ромбический перовскит (Mg,Fe)SiO3 и твердый раствор корунд-ильменит (Mg,Fe)SiO3 — А12О3.

Средняя мантия (840 ÷ 1700 км). Её строение и возможный петрологический состав существенно менее изучен по сравнению с верхней мантией. Допускается, что здесь отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезёму (MO/SiO2) равно примерно двум, что оказывается ближе к оливину, чем к пироксену, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg,Fe)SiO3 и магнезиовюстит (Mg,Fe)O со структурой типа NaCl. На долю первых приходится порядка 70% от объёма, а на долю вторых — 20%. Оставшиеся 10% занимают стишовит (плотностью 4,28 г/см3) и оксидные фазы, содержащие Са, Na, К, Al, Fe. Их кристаллизация допускается в структурных типах ильменита-корунда, кубического перовскита (CaSiO3) и Саферрита (NaAlSiO4).

Зона раздела II (1700 ÷ 2200 км). Петрологический состав этой зоны вытекает в основном из экспериментальных данных, полученных в условиях близких к давлению и температуре, характерным для глубин 1700 ÷ 2200 км. Так, при давлениях в 70 ГПа (глубина порядка 1700 км) отмечена металлизация вюстита (FeO). При ещё больших давлениях зафиксировано появление у вюстита политипии, связанное с образованием структурных фрагментов типа никелина (NiAs). Здесь же отмечена перестройка кремнезёма в стишовит с ромбической структурой типа рутила (TiO2). На глубине 2000 ÷ 2200 км происходит дальнейшая перестройка стишовита в структуру, занимающую промежуточное положение между РbО2 и ZrO2 с более плотной упаковкой кремний-кислородных октаэдров. На этих же глубинах при давлении порядка 90 ГПа допускается распад перовскитоподобного MgSiO3 на периклаз (MgO) и свободный кремнезём (SiO2).

В этом интервале глубин также установлено начало перехода из высокоспинного в низкоспинное состояние атомов железа в структуре магнезиовюстита (Mg,Fe)O.

Полиморфные переходы вещества мантии в зоне раздела II приводят к существенному увеличению плотности пород и скачку скорости упругих колебаний.

Нижняя мантия (2200 ÷ 2900 км) характеризуется дальнейшим увеличением плотности пород и плавным нарастанием скорости сейсмических волн. Предполагается, что вещество нижней мантии состоит преимущественно из перовскита (Mg,Fe)SiO3 и магнезиовюстита (Mg,Fe)O.

Молярное отношение между этими минералами варьирует от 2:1 до 3:1.

Причём объёмная доля магнезиовюстита не превышает 19%. Она уменьшается с увеличением содержания железа в вюстите. Указанные минералы нижней мантии характеризуются исключительной стабильностью.

В частности, образцы магний-перовскита MgSiO3 в лабораторных условиях с помощью алмазных наковален подвергались давлению в 1,3 млн. раз превышающему атмосферное при температуре около 20000К (Р-Т условия, характерные для низов мантии). Ни во время эксперимента, на после его, минерал не изменил свою структуру и состав. Исходя из этого, авторы эксперимента пришли к выводу о том, что магний-перовскит следует рассматривать как наиболее распространённый минерал на Земле, на долю которого приходится почти половина её массы.

Таким же устойчивым минералом оказался и вюстит FexO. В условиях нижней мантии «х» не превышает 0,98 и в минерале присутствуют одновременно двух- и трёхвалентное железо. Вюстит и магнезиовюстит являются основными «переносчиками» железа в нижней мантии, да и в мантии вообще. Под действием высоких давлений двухвалентное железо переходит в трёхвалентное, которое остаётся в структуре минерала.

Одновременно при этом выделяется нейтральное железо, которое переходит в ядро. Вероятно, эти процессы дифференциации мантийного вещества наиболее активно протекают в слое D (2700 ÷ 2900 км). Объясняется это тем, что вюстит и магнезиовюстит в условиях высоких давлений характеризуются нестехиометрией состава, дефектами атомных решеток, политипией, изменением магнитного упорядочения, связанного с изменением электронной структуры атомов железа. Снижение прочности вещества слоя D приводит к снижению скорости упругих волн, проходящих через эту оболочку.

По сравнению с верхней мантией нижняя характеризуется относительной обогащённостью железом, т.е. она в значительной степени сохранила свой примитивный (изначальный) состав, тогда как верхняя мантия уже истощена (деплетизирована).

Распад железосодержащих минералов в слое D с отжатием части железа в ядро приводит к возникновению тепломассопотоков (плюмов), поднимающихся с границы ядро-мантия вверх. При этом наблюдается «размыв» верхней границы нижней мантии. В меньшей степени это присуще и другим поверхностям раздела внутри мантийной геосферы Земли. Явления, происходящие в слое D», чрезвычайно важны для понимания и объяснения процессов образования и эволюции земного ядра. Учитывая ту важную роль, которую играет этот слой в строении нижней мантии, исследователи (В.Н.Жарков, В.М.Любимов, Л.Н.Дорофеева, В.М.Дорофеев) предложили рассматривать его в качестве второй астеносферы Земли.

В самом основании нижней мантии в начале 70ыхгодов прошлого столетия И.С.Берзон выделил тонкий переходный слой между мантией и ядром мощностью порядка 20 км. Слой Берзона характеризуется снижением скорости продольных волн, а скорость поперечных волн убывает с 7,3 км/с практически до нуля, что говорит о существенном снижении коэффициента эффективной вязкости, т.е. о том, что вещество этого слоя находится частично в расплавленном состоянии.

Источник: studfile.net

Строение мантии Земли

Существует граница, отделяющая земную поверхностную кору от мантии. Называют её границей Мохоровичича, хотя иногда сокращают до простого Мохо. Располагается она на различных глубинах, зависящих от участка земной поверхности. Так, под океанами граница Мохо находится выше всего (7-10 км), а под складчатыми поясами залегает гораздо глубже (до 70 км). Характерной особенностью границы Мохоровичича является то, что на ней наблюдается резкое увеличение сейсмических скоростей (от 7 до 8 км/с). Принято считать, что происходит это из-за изменения состава пород.

Мантия нашей планеты разделена на 2 части: верхнюю мантию и нижнюю. Друг от друга они также отделены границей, так называемым слоем Голицына. Располагает он примерно на глубине 670 км. Таким образом, становится понятно, что верхняя мантия значительно тоньше нижней.

Состав мантии Земли

Состоит мантия нашей планеты, предположительно, из так называемых ультраосновных пород, которые представлены перидотитами и перовскитами, но также в состав её входят и другие породы (эклогиты, например). Но гораздо понятнее будет, если разложить эти породы на составляющие элементы. Так вот, основным химическим элементом мантии является кислород (45%), находящийся в различных соединениях с другими элементами. По большей части, с кремнием и магнием (~22% каждого). Вместе с кислородом они образуют кремнезем и оксид магния, соответственно. На два этих оксида приходится порядка 84% всего вещества мантии.
Также в этом земном слое в небольших количествах находятся железо, алюминий, кальций, натрий, калий и другие элементы. Почти все из них вступают в реакцию с кислородом, образуя оксиды.

Источник: naturae.ru

МА́НТИЯ ЗЕМЛИ́, гео­сфе­ра, рас­по­ло­жен­ная ме­ж­ду зем­ной ко­рой и ядром Зем­ли. Со­став­ля­ет ок. 84% объ­ё­ма и 67% мас­сы Зем­ли. Верх­няя гра­ни­ца про­хо­дит на глу­би­не от не­сколь­ких км под океа­на­ми до 70 км под кон­ти­нен­та­ми по Мо­хо­ро­ви­чи­ча гра­ни­це, ниж­няя – на глу­би­не 2980 км. Осн. све­де­ния о строе­нии М. З. по­лу­че­ны на ос­но­ве из­ме­ре­ния вре­ме­ни про­хо­ж­де­ния сейс­мич. волн, по ко­то­ро­му на­хо­дят ско­ро­сти про­доль­ных и по­пе­реч­ных сейс­мич. волн, за­ви­ся­щие от плот­но­сти и уп­ру­гих мо­ду­лей ве­ще­ст­ва ман­тии. Та­ким спо­со­бом ман­тию «про­све­чи­ва­ют» и по­лу­ча­ют её трёх­мер­ную сейс­мо­то­мо­гра­фич. мо­дель. В гео­фи­зич. мо­де­ли строе­ния Зем­ли, пред­ло­жен­ной ав­ст­рал. сейс­мо­ло­гом К. Е. Бул­ле­ном в 1940-х гг. и по­лу­чив­шей ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние, М. З. раз­де­ле­на на слои B, C, D (по­след­ний вклю­ча­ет слои D′ и D″), ко­то­рые от­ли­ча­ют­ся сейс­мич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми (см. в ст. Зем­ля, раз­дел Строе­ние твёр­дой зем­ли). В нач. 21 в. ис­поль­зу­ют и др. схе­мы раз­де­ле­ния Зем­ли на зо­ны. В од­ной из мо­де­лей М. З. де­лят на 4 час­ти: верх­няя ман­тия до глу­би­ны 410 км, пе­ре­ход­ная зо­на в ин­тер­ва­ле глу­бин 410–660 км, ниж­няя ман­тия ни­же глу­би­ны 660 км до т. н. слоя D″ на гра­ни­це ме­ж­ду ман­ти­ей и ядром, имею­ще­го пе­ре­мен­ную тол­щи­ну (в ср. 250 км).

Ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния про­доль­ных сейс­мич. волн при пе­ре­се­че­нии гра­ни­цы зем­ной ко­ры и ман­тии скач­ко­об­раз­но воз­рас­та­ют с 7,5–7,8 км/с до 8,1–8,2 км/с. В верх­ней ман­тии сейс­мич. ско­ро­сти и плот­ность ве­ще­ст­ва рас­тут с глу­би­ной в осн. за счёт сжа­тия под дав­ле­ни­ем. В пе­ре­ход­ной зо­не ве­ще­ст­во уп­лот­ня­ет­ся так­же и за счёт фа­зо­вых пе­ре­хо­дов ми­не­ра­лов в бо­лее плот­ные мо­ди­фи­ка­ции; сейс­мич. ско­ро­сти рез­ко воз­рас­та­ют. Слой D″ хи­ми­че­ски не­од­но­ро­ден, по­это­му сейс­мич. ско­ро­сти и плот­ность ве­ще­ст­ва в нём рез­ко ме­ня­ют­ся с глу­би­ной и по ла­те­ра­ли. На гра­ни­це М. З. и яд­ра ско­рость про­хо­ж­де­ния про­доль­ных сейс­мич. волн рез­ко сни­жа­ет­ся с 13,6 км/с до 8,1 км/с. Плот­ность ве­ще­ст­ва М. З. уве­ли­чи­ва­ется с глу­би­ной от зна­че­ний 3100–3500 кг/м3, дос­ти­гая у гра­ни­цы с ядром 5600 кг/м3. О др. фи­зич. ха­рак­те­ри­сти­ках М. З. (ус­ко­ре­ние си­лы тя­же­сти, дав­ле­ние, темп-ра, вяз­кость) и их из­ме­не­нии с глу­би­ной см. в ст. Зем­ля в раз­де­ле Фи­зи­че­ские ха­рак­те­ри­сти­ки твёр­дой Зем­ли.

М. З. в це­лом име­ет си­ли­кат­ный со­став. Хи­мич., ми­не­ра­ло­гич. и фа­зо­вый со­ста­вы оп­ре­де­ля­ют пу­тём срав­не­ния плот­но­сти и уп­ру­гих мо­ду­лей ве­ще­ст­ва, из­ме­рен­ных в ла­бо­ра­то­рии под прес­сом и оп­ре­де­лён­ных по сейс­мич. дан­ным. Верх­няя ман­тия сло­же­на в осн. оли­ви­ном и пи­рок­се­на­ми, пе­ре­ход­ная зо­на – оли­ви­ном (60%) и гра­на­том (40%). В пе­ре­ход­ной зо­не на глу­би­не 410 км оли­вин пе­ре­хо­дит в вадс­ле­ит, ко­то­рый на глу­би­не 520 км пе­ре­хо­дит в рин­гву­дит. Ниж­няя ман­тия со­сто­ит из пе­ров­ски­та и маг­не­зио­вю­сти­та, в ко­то­рые на глу­би­не 660–700 км пре­вра­ща­ют­ся рин­гву­дит и гра­нат с сум­мар­ным скач­ком плот­но­сти 9%. На верх­ней гра­ни­це слоя D″ пе­ров­скит пе­ре­хо­дит в ещё бо­лее плот­ную мо­ди­фи­ка­цию – пост­пе­ров­скит. По­сколь­ку глу­би­на (дав­ле­ние) это­го пе­ре­хо­да в зна­чит. сте­пе­ни за­ви­сит от темп-ры, то верх­няя гра­ни­ца слоя D″ очень не­ров­ная.

Тем­пе­ра­ту­ра в М. З. ни­же темп-ры плав­ле­ния гор­ных по­род. Не­смот­ря на это, в ман­тии воз­ни­ка­ют очень мед­лен­ные те­че­ния, обу­слов­лен­ные на­ли­чи­ем в кри­стал­лич. струк­ту­ре ве­ще­ст­ва т. н. де­фек­тов – ва­кан­сий и дис­ло­ка­ций, ко­то­рые мо­гут пе­ре­ме­щать­ся под влия­ни­ем сдви­го­во­го на­пря­же­ния. По мере рос­та темп-ры с глу­би­ной вяз­кость ве­ще­ст­ва ман­тии силь­но па­да­ет и не­мно­го рас­тёт с уве­ли­че­ни­ем дав­ле­ния. Вяз­кость са­мо­го верх­не­го от­но­си­тель­но хо­лод­но­го слоя верх­ней ман­тии тол­щи­ной до 100 км очень вы­со­кая (до 1025 П). Этот твёр­дый слой вхо­дит в ли­то­сфе­ру; на­зы­ва­ет­ся ли­то­сфер­ной ман­ти­ей. На глу­би­не 100–200 км темп-ра в М. З. воз­раста­ет до 1300–1500 К, при этом дав­ле­ние ос­та­ёт­ся от­но­си­тель­но не­вы­со­ким, по­это­му в верх­ней ман­тии воз­ни­ка­ет слой с по­ни­жен­ной вяз­ко­стью 1018 П – ас­те­но­сфе­ра. Вяз­кость ос­таль­ной час­ти верх­ней ман­тии ок. 1021 П, а ниж­ней ман­тии – ори­ен­ти­ро­воч­но в 30 раз боль­ше.

В свя­зи с тем что в М. З. име­ет­ся пе­репад темп-ры на глу­би­не, то бо­лее го­ря­чее и, со­от­вет­ст­вен­но, ме­нее плот­ное ве­ще­ст­во, на­хо­дя­щее­ся в ниж­ней час­ти ман­тии, стре­мит­ся под­нять­ся вверх. В ре­зуль­та­те в М. З. воз­ни­ка­ет те­п­ло­вая кон­век­ция со сред­ней ско­ро­стью 3 см/год (ок. 1 нм/с). Кон­век­ция при­мер­но в 20 раз ус­ко­ря­ет вы­нос те­п­ла и ос­ты­ва­ние недр Зем­ли. Ман­тий­ная кон­век­ция пред­став­ля­ет со­бой сис­те­му го­ря­чих вос­хо­дя­щих (см. Мантийный плюм) и хо­лод­ных нис­хо­дя­щих по­то­ков ве­ще­ст­ва. Ра­нее (до 2002) рас­смат­ри­ва­лась ги­по­те­за о двухъ­я­рус­ной кон­век­ции (от­дель­но в верх­ней и в ниж­ней ман­тии), обу­слов­лен­ной фа­зо­вым пе­ре­хо­дом в оли­ви­не на глу­би­не 660 км, тор­мо­зя­щем кон­век­цию. Од­на­ко про­ве­дён­ные ис­сле­до­ва­ния по­ка­за­ли, что фа­зо­вый пе­ре­ход в гра­на­те вы­зы­ва­ет про­ти­во­по­лож­ный эф­фект. Вслед­ст­вие че­го вос­хо­дя­щие ман­тий­ные по­то­ки бес­пре­пят­ст­вен­но про­хо­дят че­рез гра­ни­цу 660 км (да­же ус­ко­ря­ют­ся). Нис­хо­дя­щие ман­тий­ные по­то­ки лишь вре­мен­но за­дер­жи­ва­ют­ся в отд. мес­тах на этой гра­ни­це.

Источник: bigenc.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.