до какой глубины распространяется мантия
Мантия Земли
Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей — от 7 до 8—8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 673 км.
В начале 20 века активно обсуждалась природа границы Мохоровичича. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такой реакции предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит, и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмических волн изменением состава пород — от относительно лёгких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Эта точка зрения сейчас является общепризнанной.
Отличие состава земной коры и мантии — следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть — кору и плотную и тугоплавкую мантию.
Связанные понятия
Гляциодислокации (лат. glacies — лед + дислокация) — все разновидности нарушений и залеганий горных пород, вызванных воздействием ледников.
Тектонические дислокации (от позднелат. dislocatio — смещение, перемещение) — это нарушение залегания горных пород под действием тектонических процессов. Тектонические дислокации связаны с изменением распределения вещества в гравитационном поле Земли. Они могут происходить как в осадочной оболочке, так и в более глубоких слоях земной коры.
Мантия Земли
Земля — это планета земной группы, на которой есть жизнь. Строение и состав планеты изучает множество наук: астрономия, геология, метеорология, география и биология. Под земной корой кроется мантия — интересная и загадочная оболочка, непосредственно исследовать которую невозможно. На земной поверхности мантия не появляется, глубинным бурением к ней добраться не получится. Что же такое мантия? Из чего она состоит и каким образом её изучают?
Что такое мантия Земли
Мантия Земли — одна из внутренних оболочек планеты, которая расположена между земной корой и ядром. Она имеет более половины массы Земли и занимает более 80% объёма земного шара. Поверхность Мохоровичича является границей между земной корой и мантией. На этой поверхности быстрота сейсмических волн внезапно увеличивается и достигает 8 км/с. Глубина границы Мохоровичича равняется от 7-8 до 70 километров.
Виды мантии Земли
Мантия Земли разделяется на верхнюю и нижнюю мантию. Между ними есть так называемая переходная зона — слой Голицына. Этот слой располагается на глубине около 670 км. Именно на этой глубине происходит резкий скачок скорости волн, а также меняется характер их происхождения. Слой Голицына находится между нижней и наружной мантией.
Строение и слои мантии Земли
О строении мантии наверняка не могут знать даже учёные. Однозначного и конкретного ответа на этот вопрос пока нет. Но так как проводились некоторые исследования, то предположения о строении мантии есть. Мантия состоит из наружного слоя, переходной зоны и нижнего слоя. Каждая из поверхностей мантии имеет свои геофизические и геохимические данные, которые изучались учёными на протяжении десятков, а то и сотен лет.
Состав мантии Земли
Состав мантии установить крайне сложно, как и её строение. Её изучают с помощью тех обломков, которые иногда появляются на поверхности земли. Данный участок внутренней поверхности Земли имеет зеленовато-чёрный цвет. Горные породы в составе являются основными и состоят из железа, магния, кислорода, кальция, кремния. Видимый вид обломков мантии напоминает метеориты из камня, которые иногда падают на Землю.
Вещества, находящиеся в мантии, вязкие и жидкие. Вязкость мантийной породы колеблется от 10 21 до 10 24 Па•с и зависит от глубины. Температура в этой породе очень высокая и иногда достигает не одной тысячи градусов. Мантия находится в постоянном движении, поэтому происходит круговорот породы: некоторые массы охлаждаются и затвердевают, а другие расплавляются под воздействием высоких температур. Этот процесс никогда не останавливается.
Верхняя часть мантии Земли
Наружный слой мантии достигает глубины от 30-40 км до 400 км. Под океанами и материками планеты располагается основная часть верхнего слоя мантии — подкорковая мантия. Она достигает глубины 80 км под океанами и 200-300 км под континентами. Продольные и поперечные сейсмические волны в этом слое плавно набирают скорость, так как происходит давление располагающихся выше толщ породы.
Под подкорковой мантией располагается слой, в котором скорость сейсмических волн постепенно снижается и достигает своего минимума, а на некоторых участках волны совсем не проходят. Учёные считают, что на таких сегментах мантия Земли находится в жидком состоянии. Этот слой в верхней части мантии называется астеносферой. Астеносфера характеризуется снижением скорости и пониженной прочностью.
Внутренняя мантия Земли
Внутренняя (нижняя) мантия начинается после переходного слоя на глубине 670 км. В этой части мантии скорость волн более или менее постоянная, без резких скачков и изменений. Нижняя мантия располагается на глубине от 670 км и до 2700 км. После этой части начинается граница Гуттенберга, которая отделяет мантию от ядра Земли и имеет толщину около 200 км. Учёные считают, что породы в нижней части мантии различны по своему химическому составу и кристаллографии.
Температура мантии Земли
Измерить точную температуру мантии невозможно, поэтому учёные в лабораторных условиях создали похожую среду с помощью аналога самого распространённого материала мантии. Затем его подвергли высокому давлению и температуре. Этот эксперимент постоянно корректировали из-за неправильного содержания воды в синтетическом оливине, который использовали в качестве аналога породы мантии. В конечном итоге всё-таки удалось довести эксперимент до конца и добиться достоверных результатов.
Температура мантии оказалась на 60°C выше, чем изначально считалось. Благодаря экспериментам с плавлением пород удалось достичь отметки 1410°C. Но ученые считают, чем ближе к ядру Земли, тем температура мантии выше и может достигать 4000°C. А возле земной коры ближе к поверхности Земли температура мантии составляет около 900°C.
Давление мантии Земли
Мантия является самым массивным и объёмным слоем планеты и достигает глубины 2890 км, имеет высокую плотность. Её давление рассчитывается, основываясь на плотностной модели Земли. Давление мантии, как и её температура, может отличаться в разных слоях и зависит от глубины. Возле континентальной коры оно равняется 1 ГПа, а в нижних слоях мантии достигает 140 ГПа. Под океанами, как правило, давление спадает.
Движение мантии Земли
Процессы, которые происходят в мантии, напрямую влияют на земную кору и всю поверхность планеты. Все эти движения являются причиной землетрясений, извержения вулканов, образования гор и перемещения материков.
На саму мантию сильно влияет земное ядро, возле которого она расположена. Есть предположение, что земная кора сформировалась из мантии и этот процесс не прекращается. Также учёные считают, что ядро Земли увеличивается за счёт мантии. На их границе происходит резкий скачок плотности и скорости волн.
Корни вулканов уходят в верхний слой мантии. Выход лавы и газов во время извержения тесно связан с процессами, происходящими в наружном слое мантии. Также на деятельность вулканов влияют разрывы в земной коре планеты. Магму, которая движется из глубин вулканов к их поверхности во время извержения, изучить практически невозможно. Более или менее доступна изучению лава, которая в отличие от магмы уже не имеет паров и газов.
Процессы, происходящие в мантии Земли
Под воздействием разницы температур в земной мантии обнаруживается тепловая конвекция. Это означает, что из нижних слоёв некоторые вещества поднимаются в верхние слои мантии. За счёт тепловой конвекции происходит движение литосферных плит.
Предполагается, что движение плит происходит по астеносфере, которая находится в размягчённом состоянии. Астеносферные слои располагаются как по вертикали, так и по горизонтали. Их чередование хорошо фиксируется под континентами на глубине от 100 км.
Способы изучения мантии Земли
Все слои, которые находятся ниже земной коры, очень труднодоступны для изучения. Огромные глубины, высочайшие температуры, прирост плотности и сильное давление существенно снижают возможности для получения информации о мантии и коре планеты.
Некоторые данные учёные получают с помощью фрагментов мантии, алмазов, горных образцов. Но стоит учитывать, что они никогда не заменят породу из глубоких слоёв Земли. Даже если некоторые фрагменты мантии достигают земной коры и выходят на поверхность, они теряют свои прежние свойства и особенности из-за изменения среды, в которой находятся.
На сегодняшний день основным способом изучения мантии Земли являются геофизические данные. Учёные делают свои предположения об особенностях строения мантии, изучая скорость сейсмических волн и электропроводность породы.
До появления сейсмологии знания человечества о строении Земли основывались только на предположениях и догадках. Благодаря этой науке и множеству проведённых исследований, современные знания о строении планеты вышли на новый уровень.
Сейсмические волны образуются в результате разлома породы. На определённых участках происходит высокое напряжение, которое нарушает прочность, и происходит разлом земной коры. Сейсмические волны бывают трёх видов.
Скорость поперечных и продольных волн напрямую зависит от того, в каких именно породах они проходят. Участки прохождения волн отличаются по упругости, плотности, происхождению.
Подземный «океан» в мантии
Учёные пока затрудняются ответить, почему в недрах планеты находится так много воды и как она туда попала. Существует предположение, что она оказалась во внутренних слоях Земли ещё во времена формирования планеты. Ранее геофизики считали, что водные ресурсы проникают в недра планеты из Мирового океана в результате движения литосферных плит, а также наслоения одной плиты на другую. Но количество воды слишком высокое для данного механизма её появления под землёй.
Исследования показывают, что так называемый круговорот воды на планете устроен намного сложнее, чем считалось ранее. В обычном для людей смысле назвать водой вещество, которое называют подземным «океаном», нельзя. Это не совсем та вода, которую человечество привыкло видеть. Этот минерал называется брусит. Он состоит из воды на 79%. Хотя содержание бурсита в мантии Земли равняется примерно 3%, подземный «океан», выйдя на поверхность, охватил бы всю Землю. Это явление считается невероятным и нереальным, если пользоваться только теми знаниями, которыми владеет человечество на данный момент.
Открытие подземных гор
В начале 2019 года на границе Голицына между верхней и нижней мантией геологи обнаружили горы и расщелины. В этом открытии помогли данные, которые были собраны сейсмическими станциями во время землетрясения в Боливии в 1994 году. Оно было такой силы, что волны достигли пограничного слоя между мантиями.
Исследователи сделали вывод, что наличие гор в мантии говорит о сохранности земной коры и наружного слоя мантии в таком виде, который был ещё во время формирования планеты.
Изучение строения Земли — это актуальное направление геологических наук. Отличие в сейсмических характеристиках геосфер создаёт возможность моделировать геодинамические процессы. Благодаря изучению внутренних слоёв планеты стало понятно, что все земные оболочки обладают автономностью.
Мантия Земли
Ма́нтия — часть Земли (геосфера), расположенная непосредственно под корой и выше ядра. В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2900 км от земной поверхности.
Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей — от 7 до 8—8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670 км.
В начале 17 века активно обсуждалась природа границы Мохоровичича. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такой реакции предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит, и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмических волн изменением состава пород — от относительно лёгких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Это точка зрения сейчас является общепризнанной.
Отличие состава земной коры и мантии — следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть — кору и плотную и тугоплавкую мантию.
Содержание
Источники информации о мантии
Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.
Мантию изучают по следующим данным:
Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно наблюдать геологические соотношения между различными породами.
Недавно было объявлено, что японские исследователи планируют предпринять попытку пробурить океаническую кору до мантии. Начало бурения планируется на 2007 год. Обсуждалась также возможность проникновения к границе Мохоровичича и в верхнюю мантию с помощью самопогружающихся вольфрамовых капсул, обогреваемых теплом распадающихся радионуклидов (M.I. Ojovan, F.G.F. Gibb, P.P. Poluektov, E.P. Emets. Probing of the interior layers of the Earth with self-sinking capsules. Atomic Energy, 99, No. 2, 556—562 (2005)).
Состав мантии
Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты.
| Элемент | Концентрация | Оксид | Концентрация |
|---|---|---|---|
| O | 44,8 | ||
| Si | 21,5 | SiO2 | 46 |
| Mg | 22,8 | MgO | 37,8 |
| Fe | 5,8 | FeO | 7,5 |
| Al | 2,2 | Al2O3 | 4,2 |
| Ca | 2,3 | CaO | 3,2 |
| Na | 0,3 | Na2O | 0,4 |
| K | 0,03 | K2O | 0,04 |
| Сумма | 99,7 | Сумма | 99,1 |
Строение мантии
Процессы, идущие в мантии, оказывают самое непосредственное влияние на земную кору и поверхность земли, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. Всё больше свидетельств того, что на саму мантию активно влияет металлическое ядро Земли.
СОДЕРЖАНИЕ
Сейсмическая структура
Профиль плотности через Землю определяется скоростью сейсмических волн. Плотность постепенно увеличивается в каждом слое, в основном из-за сжатия породы на больших глубинах. При изменении состава материала происходят резкие изменения плотности.
Верхняя мантия начинается сразу под корой и заканчивается наверху нижней мантии. Верхняя мантия заставляет тектонические плиты двигаться.
Вершина мантии определяется внезапным увеличением скорости сейсмических волн, которое Андрия Мохорович впервые заметил в 1909 году; эта граница теперь упоминается как разрыв Мохоровича или «Мохо».
Мохо определяет основание земной коры и колеблется от 10 км (6,2 мили) до 70 км (43 мили) ниже поверхности Земли. Океаническая кора тоньше континентальной и обычно имеет толщину менее 10 км (6,2 мили). Континентальная кора имеет толщину около 35 км (22 мили), но большой корень земной коры под Тибетским плато имеет толщину около 70 км (43 мили).
Толщина верхней мантии составляет около 640 км (400 миль). Вся мантия имеет толщину около 2900 км (1800 миль), что означает, что верхняя мантия составляет лишь около 20% от общей толщины мантии.
Разрыв Лемана
Переходная зона
Переходная зона расположена между верхней и нижней мантией на глубине от 410 км (250 миль) до 670 км (420 миль).
410 км разрыв
670 км разрыв
Другие нарушения непрерывности
Есть еще один крупный фазовый переход, предсказанный на расстоянии 520 км (320 миль) для перехода оливина (β в γ) и граната в пиролитовой мантии. Это только время от времени наблюдалось в сейсмологических данных.
Были предложены другие неглобальные фазовые переходы на разной глубине.
Температура и давление
Температуры варьируются от примерно 200 ° C (392 ° F) на верхней границе с корой до примерно 4000 ° C (7230 ° F) на границе ядро-мантия. Самая высокая температура верхней мантии составляет 900 ° C (1650 ° F). Хотя высокая температура намного превышает точки плавления мантийных пород на поверхности, мантия почти исключительно твердая.
Огромное литостатическое давление, оказываемое на мантию, предотвращает плавление, потому что температура, при которой начинается плавление ( солидус ), увеличивается с давлением. Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен выдерживать вес всего материала над ним. Считается, что вся мантия в течение длительного времени деформируется, как жидкость, с постоянной пластической деформацией.
Самое высокое давление в верхней мантии составляет 24,0 ГПа (237 000 атм) по сравнению с давлением в нижней части мантии, которое составляет 136 ГПа (1,340 000 атм).
Хотя существует тенденция к увеличению вязкости на большей глубине, эта зависимость далека от линейной и показывает слои с резко пониженной вязкостью, в частности, в верхней мантии и на границе с ядром.
Движение
Из-за разницы температур между поверхностью Земли и внешним ядром и способности кристаллических пород при высоком давлении и температуре претерпевать медленную ползучую вязко-подобную деформацию в течение миллионов лет, в мантии существует конвективная циркуляция вещества.
Минеральный состав
Сейсмических данных недостаточно для определения состава мантии. Наблюдения за горными породами, обнаженными на поверхности, и другие свидетельства показывают, что верхняя мантия состоит из основных минералов оливина и пироксена и имеет плотность около 3,33 г / см 3 (0,120 фунт / куб. Дюйм).
Эксперименты с оливинами и пироксенами показывают, что эти минералы изменяют структуру по мере увеличения давления на большей глубине, что объясняет, почему кривые плотности не являются идеально гладкими. Когда происходит преобразование в более плотную минеральную структуру, сейсмическая скорость резко возрастает и создает разрыв.
Кимберлиты взрываются из недр земли и иногда несут обломки горных пород. Некоторые из этих ксенолитических фрагментов представляют собой алмазы, которые могут появиться только из-за более высокого давления под коркой. Сюда входят ультраосновные конкреции и перидотит.
Химический состав
| Сложный | Массовый процент |
|---|---|
| SiO 2 | 44,71 |
| MgO | 38,73 |
| FeO | 8,18 |
| Al 2 O 3 | 3,98 |
| CaO | 3,17 |
| Cr 2 O 3 | 0,57 |
| NiO | 0,24 |
| MnO | 0,13 |
| Na 2 O | 0,13 |
| TiO 2 | 0,13 |
| P 2 O 5 | 0,019 |
| К 2 О | 0,006 |
Исследование
Исследование мантии обычно проводится на морском дне, а не на суше из-за относительной толщины океанической коры по сравнению со значительно более толстой континентальной корой.
Исследованиям также может способствовать компьютерное моделирование эволюции мантии. В 2009 году приложение суперкомпьютера позволило по-новому взглянуть на распределение залежей полезных ископаемых, особенно изотопов железа, с момента образования мантии 4,5 миллиарда лет назад.
Плотность мантии. Строение планеты: земное ядро, мантия, земная кора
Общая структура планеты Земля
Внутренняя теплота планеты, скорее всего, обеспечивается радиоактивным распадом изотопов калия-40, урана-238 и тория-232. У всех трёх элементов период полураспада составляет более миллиарда лет. В центре планеты, температура, возможно, поднимается до 7 000 К, а давление может достигать 360 ГПа (3,6 млн. атм). Часть тепловой энергии ядра передаётся к земной коре посредством плюмов. Плюмы приводят к появлению горячих точек и траппов.
Глубина км Слой Плотность г/см³
0-60 Литосфера (местами варьируется от 5 до 200 км)
0-35 Кора (местами варьируется от 5 до 70 км) 2,2-2,9
35-2890 Мантия 3,4-5,6
2890-5100 Внешнее ядро 9,9-12,2
5100-6378 Внутреннее ядро 12,8-13,1
Мантия составляет 67 % всей массы Земли и около 83 % всего объёма Земли. Она простирается от глубин 5-70 километров ниже границы с земной корой, до границы с ядром на глубине 2900 км. Мантия расположена в огромном диапазоне глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру. Наиболее значительное превращение происходит на глубине 660 километров. Термодинамика этого фазового перехода такова, что мантийное вещество ниже этой границы не может проникнуть через неё, и наоборот. Выше границы 660 километров находится верхняя мантия, а ниже, соответственно, нижняя. Эти две части мантии имеют различный состав и физические свойства. Хотя сведения о составе нижней мантии ограничены, и число прямых данных весьма невелико, можно уверенно утверждать, что её состав со времён формирования Земли изменился значительно меньше, чем верхней мантии, породившей земную кору.
Теплоперенос в мантии происходит путём медленной конвекции, посредством пластической деформации минералов. Скорости движения вещества при мантийной конвекции составляют порядка нескольких сантиметров в год. Эта конвекция приводит в движение литосферные плиты. Конвекция в верхней мантии происходит раздельно. Существуют модели, которые предполагают ещё более сложную структуру конвекции.
В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2 900 км.
В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия слой В глубиной до 400 км и С до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия слой D до глубины 2700 с переходным слоем D1 от 2700 до 2900 км.
Строение Земли по представления различных исследователей
Источники информации о мантии
Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.
Мантию изучают по следующим данным:
Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно наблюдать геологические соотношения между различными породами.
Состав мантии
Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты.
| Элемент | Концентрация | Оксид | Концентрация |
|---|---|---|---|
| 44.8 | |||
| 21.5 | SiO 2 | 46 | |
| 22.8 | MgO | 37.8 | |
| 5.8 | FeO | 7.5 | |
| 2.2 | Al 2 O 3 | 4.2 | |
| 2.3 | CaO | 3.2 | |
| 0.3 | Na 2 O | 0.4 | |
| 0.03 | K 2 O | 0.04 | |
| Сумма | 99.7 | Сумма | 99.1 |
Строение мантии
Процессы, идущие в мантии, оказывают самое непосредственное влияние на земную кору и поверхность земли, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. Всё больше свидетельств того, что на саму мантию активно влияет металлическое ядро планеты.
Конвекция и плюмы
Список литературы
Источник : Короновский Н.В., Якушова А.Ф. «Основы геологии», М., 1991
Ссылки
Мантия Земли, оболочка «твердой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе. От земной коры ее отделяет поверхность Мохоровичича, на которой скорость продольных сейсмических волн при переходе из коры в Мантию Земли возрастает скачком с 6,7–7,6 до 7,9–8,2 км/сек; от ядра Земли мантию отделяет поверхность (на глубине около 2900 км), на которой скорость сейсмических волн падает с 13,6 до 8,1 км/сек. Мантия Земли делится на нижнюю и верхнюю мантию. Последняя, в свою очередь, делится (сверху вниз) на субстрат, слой Гутенберга (слой пониженных скоростей ) и слой Голицына (иногда называется средней мантией). У подошвы мантии Земли выделяется слой толщиной менее 100 км, в котором скорости сейсмических волн не растут с глубиной или даже слегка понижаются.
Предполагается, что мантия Земли слагается теми химическими элементами, которые во время образования Земли находились в твердом состоянии или входили в состав твердых химических соединений. Из этих элементов преобладают: О, Si, Mg, Fe. Согласно современным представлениям, состав мантии Земли считается близким к составу каменных метеоритов. Из каменных метеоритов наиболее близкий к мантии Земли состав имеют хондриты. Предполагают, что непосредственными образцами вещества мантии являются обломки пород среди базальтовой лавы, вынесенные на поверхность Земли; их находят также вместе с алмазами в трубках взрыва. Считают также, что обломки пород, поднятые драгой со дна рифтов Срединно-океанических хребтов, представляют собой вещество мантии.
Образцы самой верхней части мантии Земли состоят преимущественно из пород ультраосновного (перидотит и пироксенит) и основного (эклогит) состава. Обычно считается, что мантия Земли почти полностью сложена оливином ((Mg, Fe) 2 SiO 4), в котором сильно преобладает магниевая компонента (форстерит), но с глубиной, быть может, возрастает доля железной составной части (фаялита). Австралийский петрограф Рингвуд предполагает, что мантия Земли сложена гипотетической породой, которую он назвал пиролитом и которая по составу соответствует смеси из 3 частей периодита и 1 части базальта. Теоретические расчеты показывают, что в нижней мантии Земли минералы должны распадаться на окислы. К началу 70-х годов 20 века появились также данные, указывающие на наличие в мантии Земли горизонтальных неоднородностей.
Характерной чертой мантии Земли являются, по-видимому, фазовые переходы. Экспериментально установлено, что в оливине под большим давлением изменяется структура кристаллической решетки, появляется более плотная упаковка атомов, так что объем минерала заметно уменьшается. В кварце такой фазовый переход наблюдается дважды по мере роста давления; самая плотная модификация на 65°C плотнее обычного кварца. Такие фазовые переходы считаются главной причиной того, что в слое Голицына скорости сейсмических волн очень быстро возрастают с глубиной.
Несомненно, что выделилась из мантии Земли; процесс дифференциации мантии Земли продолжается и сейчас. Есть предположение, что и земное ядро разрастается за счет мантии Земли. Процессы в земной коре и мантии Земли тесно связаны; в частности, энергия для тектонических движений земной коры, по-видимому, поступает из мантии Земли.
В состав верхней мантии обычно включаются и подкоровые части литосферных плит, в которых мантийное вещество охлаждено и полностью раскристаллизовано. Под океанами мощность литосферы меняется от нуля под рифтовыми зонами до 60-70 км под абиссальными котловинами океанов. Под континентами толщина литосферы может достигать 200-250 км.
Наши сведения о строении мантии и земного ядра, а также о состоянии вещества в этих геосферах получены в основном по сейсмологическим наблюдениям, путём интерпретации годографов сейсмических волн с учётом известных уравнений гидростатики, связывающих между собой градиенты плотности и значения скоростей распространения продольных и поперечных волн в среде. Методика эта была разработана известными геофизиками Г. Джефрисом, Б. Гутенбергом и особенно К. Булленом ещё в середине 40-х годов и затем существенно усовершенствована К. Булленом и другими сейсмологами. Построенные по этой методике распределения плотности в мантии для нескольких наиболее популярных моделей Земли в сопоставлении с данными ударного сжатия силикатов (модель НС-1) приведены на рис. 10.
Рисунок 10.
1 — модель Наймарка-Сорохтина (1977а); 2 — модель Буллена А1 (1966); 3 — модель Жаркова «Земля-2» (Жарков и др., 1971); 4 — пересчёт данных Панькова и Калинина (1975) на состав лерцолитов при адиабатическом распределении температуры.
Как видно из рисунка, плотность верхней мантии (слоя В) с глубиной увеличивается от 3,3-3,32 примерно до 3,63-3,70 г/см 3 на глубине около 400 км. Далее в переходном слое Голицына (слое С) градиент плотности резко возрастает и плотность повышается до 4,55-4,65 г/см 3 на глубине 1 000 км. Слой Голицына постепенно переходит в нижнюю мантию, плотность которой плавно (по линейному закону) возрастает до 5,53-5,66 г/см 3 на глубине её подошвы около 2 900 км.
| Окислы | Состав континентальной коры (1) | Модельный состав мантии Земли (2) | Модельный состав ядра Земли | Состав первичного вещества Земли (расчёт) | Средний состав хондритов (3) | Средний состав углистых хондритов (4) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO 2 | 59,3 | 45,5 | — | 30,78 | 38,04 | 33,0 |
| TiO 2 | 0,7 | 0,6 | — | 0,41 | 0,11 | 0,11 |
| Al 2 O 3 | 15,0 | 3,67 | — | 2,52 | 2,50 | 2,53 |
| Fe 2 O 3 | 2,4 | 4,15 | — | — | — | — |
| FeO | 5,6 | 4,37 | 49,34 | 22,76 | 12,45 | 22,0 |
| MnO | 0,1 | 0,13 | — | 0,09 | 0,25 | 0,24 |
| MgO | 4,9 | 38,35 | — | 25,77 | 23,84 | 23,0 |
| CaO | 7,2 | 2,28 | — | 1,56 | 1,95 | 2,32 |
| Na 2 O | 2,5 | 0,43 | — | 0,3 | 0,95 | 0,72 |
| K 2 O | 2,1 | 0,012 | — | 0,016 | 0,17 | — |
| Cr 2 O 3 | — | 0,41 | — | 0,28 | 0,36 | 0,49 |
| P 2 O 5 | 0,2 | — | — | — | — | 0,38 |
| NiO | — | 0,1 | — | 0,07 | — | — |
| FeS | — | — | 6,69 | 2,17 | 5,76 | 13,6 |
| Fe | — | — | 43,41 | 13,1 | 11,76 | — |
| Ni | — | — | 0,56 | 0,18 | 1,34 | — |
| Сумма | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 99,48 | 98,39 |
Для проверки гипотезы о едином составе верхней и нижней мантии были проведены расчёты плотности океанического лерцолита, поднятого в трансформном разломе хребта Карлсберг в Индийском океане, по методике ударного сжатия силикатов до давлений около 1,5 Мбар. Для такого «эксперимента» вовсе не обязательно сжимать сам образец породы до таких высоких давлений, достаточно знать его химический состав и результаты ранее проведённых опытов по ударному сжатию отдельных породообразующих окислов. Результаты такого расчёта, выполненного для адиабатического распределения температуры в мантии, были сопоставлены с известными распределениями плотности в этой же геосфере, но полученными по сейсмологическим данным (см. рис. 10). Как видно из приведённого сравнения, распределение плотности океанического лерцолита при высоких давлениях и адиабатической температуре неплохо аппроксимирует реальное распределение плотности в мантии, полученное по совершенно независимым данным. Это свидетельствует в пользу реальности сделанных предположений о лерцолитовом составе всей мантии (верхней и нижней) и об адиабатическом распределении температуры в этой геосфере. Зная распределение плотности вещества в мантии, можно подсчитать и её массу: она оказывается равной (4,03-4,04)×10 2 г, что составляет 67,5% от общей массы Земли.
На подошве нижней мантии выделяется ещё один мантийный слой толщиной около 200 км, обычно обозначаемый символом D’’, в котором уменьшаются градиенты скоростей распространения сейсмических волн и возрастает затухание поперечных волн. Более того, на основании анализа динамических особенностей распространения волн, отражённых от поверхности земного ядра, И.С. Берзон и её коллегам (1968, 1972) удалось выделить тонкий переходный слой между мантией и ядром толщиной около 20 км, названный нами слоем Берзон, в котором скорость поперечных волн в нижней половине убывает с глубиной от 7,3 км/с практически до нуля. Снижение же скорости поперечных волн можно объяснить лишь уменьшением значения модуля жёсткости, а следовательно, и уменьшением коэффициента эффективной вязкости вещества в этом слое.
Сама граница перехода от мантии к земному ядру при этом остаётся достаточно резкой. Судя по интенсивности и спектру отражённых от поверхности ядра сейсмических волн, толщина такого пограничного слоя не превышает 1 км.
Д.Ю. Пущаровский, Ю.М. Пущаровский (МГУ им. М.В. Ломоносова)
Состав и строение глубинных оболочек Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Число прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограниченно. В этом плане особое место занимает минеральный агрегат из кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель мантийных пород, залегающих на глубине
Сейсмическая модель строения Земли
Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо, М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.
Рис. 1. Схема глубинного строения Земли
Верхняя граница слоя D» неопределенна; ее уровень от поверхности ядра может варьировать от 200 до 500 км и более. Таким образом, можно заключить, что данный слой отражает неравномерное и разноинтенсивное поступление энергии ядра в область мантии.
Границей нижней и верхней мантии в рассматриваемой схеме служит сейсмический раздел, лежащий на глубине 670 км. Он имеет глобальное распространение и обосновывается скачком сейсмических скоростей в сторону их увеличения, а также возрастанием плотности вещества нижней мантии. Этот раздел является также и границей изменений минерального состава пород в мантии.
Таким образом, нижняя мантия, заключенная между глубинами 670 и 2900 км, простирается по радиусу Земли на 2230 км. Верхняя мантия имеет хорошо фиксирующийся внутренний сейсмический раздел, проходящий на глубине 410 км. При переходе этой границы сверху вниз сейсмические скорости резко возрастают. Здесь, как и на нижней границе верхней мантии, происходят существенные минеральные преобразования.
Под океанскими абиссальными впадинами астеносферный слой лежит на глубинах 70-80 км и менее. Соответственно нижняя граница литосферы фактически является неопределенной, а это создает большие трудности для теории кинематики литосферных плит, что и отмечается многими исследователями.
Таковы основы представлений о строении Земли, сложившиеся к настоящему времени. Далее обратимся к новейшим данным в отношении глубинных сейсмических рубежей, представляющих важнейшую информацию о внутреннем строении планеты.
Современные данные о сейсмических границах
Отмеченные глобальные сейсмические границы используются при построении геологических и геодинамических моделей, в то время как промежуточные в этом смысле пока внимания почти не привлекали. Между тем различия в масштабах и интенсивности их проявления создают эмпирическую основу для гипотез, касающихся явлений и процессов в глубинах планеты.
Ниже рассмотрим, каким образом геофизические рубежи соотносятся с полученными в последнее время результатами структурных изменений минералов под влиянием высоких давлений и температур, значения которых соответствуют условиям земных глубин.
Состав верхней мантии
Проблема состава, структуры и минеральных ассоциаций глубинных земных оболочек или геосфер, конечно, еще далека от окончательного решения, однако новые экспериментальные результаты и идеи существенно расширяют и детализируют соответствующие представления.
670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO2)
2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)2SiO4, чем к пироксену (Mg, Fe)SiO3, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO3 с различными структурными искажениями, магнезиовюстит (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.
Все предложенные модели весьма обобщенные и гипотетичные. Пиролитовая модель верхней мантии с преобладанием оливина предполагает ее значительно большую близость по химическому составу со всей более глубокой мантией. Наоборот, пиклогитовая модель предполагает существование определенного химического контраста между верхней и остальной мантиями. Более частная эклогитовая модель допускает присутствие в верхней мантии отдельных эклогитовых линз и блоков.
Большой интерес представляет попытка согласовать структурно-минералогические и геофизические данные, относящиеся к верхней мантии. Уже около 20 лет допускается, что увеличение скоростей сейсмических волн на глубине
410 км преимущественно связано со структурной перестройкой оливина a-(Mg, Fe)2SiO4 в вадслеит b-(Mg, Fe)2SiO4, сопровождающейся образованием более плотной фазы с большими значениями коэффициентов упругости. Согласно геофизическим данным, на таких глубинах в недрах Земли скорости сейсмических волн возрастают на 3-5%, тогда как структурная перестройка оливина в вадслеит (в соответствии со значениями их модулей упругости) должна сопровождаться увеличением скоростей сейсмических волн примерно на 13%. Вместе с тем результаты экспериментальных исследований оливина и смеси оливин-пироксен при высоких температурах и давлениях выявили полное совпадение рассчитанного и экспериментального увеличения скоростей сейсмических волн в интервале глубин 200-400 км. Поскольку оливин обладает примерно такой же упругостью, как и высокоплотные моноклинные пироксены, эти данные должны были бы указывать на отсутствие в составе нижележащей зоны граната, обладающего высокой упругостью, присутствие которого в мантии неизбежно вызвало бы более значительное увеличение скоростей сейсмических волн. Однако эти представления о безгранатовой мантии вступали в противоречие с петрологическими моделями ее состава.
Таблица 1. Минеральный состав пиролита (по Л. Лиу, 1979)
В то время как полиморфный переход оливина в вадслеит не сопровождается изменением химического состава, в присутствии граната возникает реакция, приводящая к образованию вадслеита, обогащенного Fe по сравнению с исходным оливином. Более того, вадслеит может содержать значительно больше по сравнению с оливином атомов водорода. Участие атомов Fe и Н в структуре вадслеита приводит к уменьшению ее жесткости и соответственно уменьшению скоростей распространения сейсмических волн, проходящих сквозь этот минерал.
Кроме того, образование обогащенного Fe вадслеита предполагает вовлечение в соответствующую реакцию большего количества оливина, что должно сопровождаться изменением химического состава пород вблизи раздела 410. Идеи об этих трансформациях подтверждаются современными глобальносейсмическими данными. В целом минералогический состав этой части верхней мантии представляется более или менее ясным. Если говорить о пиролитовой минеральной ассоциации (табл. 1), то ее преобразование вплоть до глубин
Все предложенные в настоящее время модели состава мантийных пород допускают содержание в них Al2O3 в количестве
Состав мантии ниже границы 670 км
20 %). Оставшиеся 10% составляют стишовит и оксидные фазы, содержащие Ca, Na, K, Al и Fe, кристаллизация которых допускается в структурных типах ильменита-корунда (твердый раствор (Mg, Fe)SiO3-Al2O3), кубического перовскита (CaSiO3) и Са-феррита (NaAlSiO4). Образование этих соединений связано с различными структурными трансформациями минералов верхней мантии. При этом одна из основных минеральных фаз относительно гомогенной оболочки, лежащей в интервале глубин 410-670 км,
Сферическое строение планеты по Э. Вихерту и Э. Зюссу. Современные программы изучения недр с помощью бурения сверхглубоких скважин и сейсмических волн. Особенности земной коры, литосферы, астеносферы, мантии и земного ядра, гравитационная дифференциация.
Сущность волнового и геологического представления геологического разреза. Особенности использования нейронных сетей для прогноза русловых песчаников. Понятие картирования сейсмофаций. Анализ импеданса и пористости с учетом глин в покрышке и в подошве.
Химический состав и физико-химические особенности магмы. Общее понятие родоначальной магмы, ее главные признаки и характеристики. Представления, гипотезы и доказательства о существовании базальтовой, гранитной, ультраосновной и андезитовой магмы.
Понятие тектоносферы и ее отличие от более глубоких оболочек Земли. Строение и состав земной коры, особенности гранитогнейсового слоя. Строение и состав верхней мантии, понятие сейсмического волновода. Закономерности в строении и развитии тектоносферы.
3D сейсморазведка впервые предоставила геологам, геофизикам и промысловикам возможность получать информацию о строении среды в межскважинном пространстве, формируемую по результатам динамического анализа сейсмического волнового поля.
РЕФЕРАТ на тему: “Теория происхождения Земли”. 1.Содержание: 2.Введение 3.Образование мантии и ядра Земли 4. Дифференциация мантии и образование коры, гидросферы и атмосферы