Мантия Земли - это силикатная оболочка Земли, сложенная преимущественно перидотитами - породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и др. Частичное плавление мантийных пород порождает базальтовые и им подобные расплавы, формирующие при подъёме к поверхности земную кору .

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.

Сейсмическая модель строения земли

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 ~250 км. Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12 262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке земного шара. Вместе с тем, новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.

Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра.

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.

Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю. Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D" (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.

Внутреннее ядро, имеющее радиус 1225 км, твердое и обладает большой плотностью - 12,5 г/см 3 . Внешнее ядро жидкое, его плотность 10 г/см 3 . На границе ядра и мантии отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности. В мантии она снижается до 5,5 г/см 3 . Слой D", находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре значительно превышают температуры мантии. Местами данный слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли сквозь мантийные тепломассопотоки, называемые плюмами. Они могут проявляться на планете в виде крупных вулканических областей, как, например, на Гавайских островах, в Исландии и других регионах.

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.

Верхнюю часть верхней мантии и земную кору слитно выделяют как литосферу, являющуюся верхней твердой оболочкой Земли, в противоположность гидро- и атмосфере. Благодаря теории тектоники литосферных плит термин «литосфера» получил широчайшее распространение. Теория предполагает движение плит по астеносфере - размягченном, частично, возможно, жидком глубинном слое пониженной вязкости. Однако сейсмология не показывает выдержанной в пространстве астеносферы. Для многих областей выявлены несколько астеносферных слоев, расположенных по вертикали, а также прерывистость их по горизонтали. Особенно определенно их чередование фиксируется в пределах континентов, где глубина залегания астеносферных слоев (линз) варьирует от 100 км до многих сотен. 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.

Современные данные о сейсмических границах

С проведением сейсмологических исследований, появляются предпосылки для выделения новых сейсмических границ. Глобальными принято считать границы 410, 520, 670, 2900 км, где увеличение скоростей сейсмических волн особенно заметно. Наряду с ними выделяются промежуточные границы: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км. Дополнительно имеются указания геофизиков на существование границ 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.И. Павленковой недавно в качестве глобальной выделена граница 100, отвечающая нижнему уровню разделения верхней мантии на блоки. Промежуточные границы имеют разное пространственное распространение, что свидетельствует о латеральной изменчивости физических свойств мантии, от которых они и зависят. Глобальные границы представляют иную категорию явлений. Они отвечают глобальным изменениям мантийной среды по радиусу Земли.

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.

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.

Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4: 2: 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al 2 SiO 5 (до 10 вес. %). Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии, простирающейся до глубин ~670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO 2) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe) 2 SiO 4 , чем к пироксену (Mg, Fe)SiO 3 , а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO 3 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) 2 SiO 4 в вадслеит b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 , 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.

Так появилась идея о том, что скачок в скоростях сейсмических волн на глубине 410 км связан в основном со структурной перестройкой пироксен-гранат внутри обогащенных Na частей верхней мантии. Такая модель предполагает почти полное отсутствие конвекции в верхней мантии, что противоречит современным геодинамическим представлениям. Преодоление этих противоречий можно связать с недавно предложенной более полной моделью верхней мантии, допускающей вхождение атомов железа и водорода в структуру вадслеита.

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, то ее преобразование вплоть до глубин ~800 км исследовано достаточно детально. При этом глобальной сейсмической границе на глубине 520 км соответствует перестройка вадслеита b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 в рингвудит - g-модификацию (Mg, Fe) 2 SiO 4 со структурой шпинели. Трансформация пироксен (Mg, Fe)SiO 3 гранат Mg 3 (Fe, Al, Si) 2 Si 3 O 12 осуществляется в верхней мантии в более широком интервале глубин. Таким образом, вся относительно гомогенная оболочка в интервале 400-600 км верхней мантии в основном содержит фазы со структурными типами граната и шпинели.

Все предложенные в настоящее время модели состава мантийных пород допускают содержание в них Al 2 O 3 в количестве ~4 вес. %, которое также влияет на специфику структурных превращений. При этом отмечается, что в отдельных областях неоднородной по составу верхней мантии Al может быть сосредоточен в таких минералах, как корунд Al 2 O 3 или кианит Al 2 SiO 5 , который при давлениях и температурах, cоответствующих глубинам ~450 км, трансформируется в корунд и стишовит - модификацию SiO 2 , структура которой содержит каркас из SiO 6 октаэдров. Оба этих минерала сохраняются не только в низах верхней мантии, но и глубже.

Важнейший компонент химического состава зоны 400-670 км - вода, содержание которой, по некоторым оценкам, составляет ~0,1 вес. % и присутствие которой в первую очередь связывают с Mg-силикатами. Количество запасенной в этой оболочке воды столь значительно, что на поверхности Земли оно составило бы слой мощностью 800 м.

Состав мантии ниже границы 670 км

Проведенные в последние два-три десятилетия исследования структурных переходов минералов с использованием рентгеновских камер высокого давления позволили смоделировать некоторые особенности состава и структуры геосфер глубже границы 670 км .

В этих экспериментах исследуемый кристалл помещается между двумя алмазными пирамидами (наковальнями), при сжатии которых создаются давления, соизмеримые с давлениями внутри мантии и земного ядра. Тем не менее в отношении этой части мантии, на долю которой приходится более половины всех недр Земли, по-прежнему остается много вопросов. В настоящее время большинство исследователей согласны с идеей о том, что вся эта глубинная (нижняя в традиционном понимании) мантия в основном состоит из перовскитоподобной фазы (Mg,Fe)SiO 3 , на долю которой приходится около 70% ее объема (40% объема всей Земли), и магнезиовюстита (Mg, Fe)O (~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)SiO 3 -Al 2 O 3), кубического перовскита (CaSiO 3) и Са-феррита (NaAlSiO 4). 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, - шпинелеподобный рингвудит трансформируется в ассоциацию (Mg, Fe)-перовскита и Mg-вюстита на рубеже 670 км, где давление составляет ~24 ГПа. Другой важнейший компонент переходной зоны - представитель семейства граната пироп Mg 3 Al 2 Si 3 O 12 испытывает превращение с образованием ромбического перовскита (Mg, Fe)SiO 3 и твердого раствора корунда-ильменита (Mg, Fe)SiO 3 - Al 2 O 3 при несколько больших давлениях. С этим переходом связывают изменение скоростей сейсмических волн на рубеже 850-900 км, соответствующем одной из промежуточных сейсмических границ. Трансформация Саграната андрадита при меньших давлениях ~21 ГПа приводит к образованию еще одного упомянутого выше важного компонента Ca 3 Fe 2 3+ Si 3 O 12 нижней мантии - кубического Саперовскита CaSiO 3 . Полярное отношение между основными минералами этой зоны (Mg,Fe)- перовскитом (Mg,Fe)SiO 3 и Mg-вюститом (Mg, Fe)O варьирует в достаточно широких пределах и на глубине ~1170 км при давлении ~29 ГПа и температурах 2000-2800 0 С меняется от 2: 1 до 3: 1.

Исключительная стабильность MgSiO 3 со структурой типа ромбического перовскита в широком диапазоне давлений, соответствующих глубинам низов мантии, позволяет считать его одним из главных компонентов этой геосферы. Основанием для этого заключения послужили эксперименты, в ходе которых образцы Mg-перовскита MgSiO 3 были подвергнуты давлению, в 1,3 млн раз превышающему атмосферное, и одновременно на образец, помещенный между алмазными наковальнями, воздействовали лазерным лучом с температурой около 2000 0 С. Таким образом, смоделировали условия, существующие на глубинах ~2800 км, то есть вблизи нижней границы нижней мантии. Оказалось, что ни во время, ни после эксперимента минерал не изменил свою структуру и состав. Таким образом, Л. Лиу, а также Е. Ниттл и Е. Жанлоз пришли к выводу, согласно которому стабильность Mg-перовскита позволяет рассматривать его как наиболее распространенный минерал на Земле, составляющий, по-видимому, почти половину ее массы.

Не меньшей устойчивостью отличается и вюстит Fe x O, состав которого в условиях нижней мантии характеризуется значением стехиометрического коэффициента х < 0,98, что означает одновременное присутствие в его составе Fe 2+ и Fe 3+ . При этом, согласно экспериментальным данным, температура плавления вюстита на границе нижней мантии и слоя D", по данным Р. Болера (1996), оценивается в ~5000 K, что намного выше 3800 0 С, предполагаемой для этого уровня (при средних температурах мантии ~2500 0 С в основании нижней мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300 0 С). Таким образом, вюстит должен сохраниться на этом рубеже в твердом состоянии, а признание фазового контраста между твердой нижней мантией и жидким внешним ядром требует более гибкого подхода и уж во всяком случае не означает четко очерченной границы между ними.

Следует отметить, что в преобладающих на больших глубинах перовскитоподобных фазах может содержаться весьма ограниченное количество Fe, а повышенные концентрации Fe среди минералов глубинной ассоциации характерны лишь для магнезиовюстита. При этом для магнезиовюстита доказана возможность перехода под воздействием высоких давлений части содержащегося в нем двухвалентного железа в трехвалентное, остающееся в структуре минерала, с одновременным выделением соответствующего количества нейтрального железа. На основе этих данных сотрудники геофизической лаборатории Иститута Карнеги Х. Мао, П. Белл и Т. Яги выдвинули новые идеи о дифференциации вещества в глубинах Земли. На первом этапе благодаря гравитационной неустойчивости магнезиовюстит погружается на глубину, где под воздействием давления из него выделяется некоторая часть железа в нейтральной форме. Остаточный магнезиовюстит, характеризующийся более низкой плотностью, поднимается в верхние слои, где вновь смешивается с перовскитоподобными фазами. Контакт с ними сопровождается восстановлением стехиометрии (то есть целочисленного отношения элементов в химической формуле) магнезиовюстита и приводит к возможности повторения описанного процесса. Новые данные позволяют несколько расширить набор вероятных для глубокой мантии химических элементов. Например, обоснованная Н. Росс (1997) устойчивость магнезита при давлениях, соответствующих глубинам ~900 км, указывает на возможное присутствие углерода в ее составе.

Выделение отдельных промежуточных сейсмических границ, расположенных ниже рубежа 670, коррелирует с данными о структурных трансформациях мантийных минералов, формы которых могут быть весьма разнообразными. Иллюстрацией изменения многих свойств различных кристаллов при высоких значениях физико-химических параметров, соответствующих глубинной мантии, может служить, согласно Р. Жанлозу и Р. Хейзену, зафиксированная в ходе экспериментов при давлениях 70 гигапаскалей (ГПа) (~1700 км) перестройка ионноковалентных связей вюстита в связи с металлическим типом межатомных взаимодействий. Рубеж 1200 может соответствовать предсказанной на основе теоретических квантово-механических расчетов и впоследствии смоделированной при давлении ~45 ГПа и температуре ~2000 0 С перестройке SiO 2 со структурой стишовита в структурный тип CaCl 2 (ромбический аналог рутила TiO 2), а 2000 км - его последующему преобразованию в фазу со структурой, промежуточной между a-PbO 2 и ZrO 2 , характеризующуюся более плотной упаковкой кремнийкислородных октаэдров (данные Л.С. Дубровинского с соавторами). Также начиная с этих глубин (~2000 км) при давлениях 80-90 ГПа допускается распад перовскитоподобного MgSiO 3 , сопровождающийся возрастанием содержания периклаза MgO и свободного кремнезема. При несколько большем давлении (~96 ГПа) и температуре 800 0 С установлено проявление политипии у FeO, связанное с образованием структурных фрагментов типа никелина NiAs, чередующихся с антиникелиновыми доменами, в которых атомы Fe расположены в позициях атомов As, а атомы О - в позициях атомов Ni. Вблизи границы D" происходит трансформация Al 2 O 3 со структурой корунда в фазу со структурой Rh 2 O 3 , экспериментально смоделированная при давлениях ~100 ГПа, то есть на глубине ~2200-2300 км. Использованием метода мессбауэровской спектроскопии при таком же давлении обоснован переход из высокоспинового (HS) в низкоспиновое состояние (LS) атомов Fe в структуре магнезиовюстита, то есть изменение их электронной структуры. В связи с этим следует подчеркнуть, что структура вюстита FeО при высоком давлении характеризуется нестехиометрией состава, дефектами атомной упаковки, политипией, а также изменением магнитного упорядочения, связанного с изменением электронной структуры (HS => LS - переход) атомов Fe. Отмеченные особенности позволяют рассматривать вюстит как один из наиболее сложных минералов с необычными свойствами, определяющими специфику обогащенных им глубинных зон Земли вблизи границы D".

Сейсмологические измерения указывают на то, что и внутреннее (твердое) и внешнее (жидкое) ядра Земли характеризуются меньшей плотностью по сравнению со значением, получаемым на основе модели ядра, состоящего только из металлического железа при тех же физико-химических параметрах. Это уменьшение плотности большинство исследователей связывают с присутствием в ядре таких элементов, как Si, O, S и даже О, образующих сплавы с железом. Среди фаз, вероятных для таких "фаустовских" физико-химических условий (давления ~250 ГПа и температуры 4000-6500 0 С), называются Fe 3 S с хорошо известным структурным типом Cu 3 Au и Fe 7 S. Другой предполагаемой в ядре фазой является b-Fe, структура которой характеризуется четырехслойной плотнейшей упаковкой атомов Fe. Температура плавления этой фазы оценивается в 5000 0 С при давлении 360 ГПа. Присутствие водорода в ядре долгое время вызывало дискуссию из-за его низкой растворимости в железе при атмосферном давлении. Однако недавние эксперименты (данные Дж. Бэддинга, Х. Мао и Р. Хэмли (1992)) позволили установить, что гидрид железа FeH может сформироваться при высоких температурах и давлениях и оказывается устойчив при давлениях, превышающих 62 ГПа, что соответствует глубинам ~1600 км. В этой связи присутствие значительных количеств (до 40 мол. %) водорода в ядре вполне допустимо и снижает его плотность до значений, согласующихся с данными сейсмологии.

Можно прогнозировать, что новые данные о структурных изменениях минеральных фаз на больших глубинах позволят найти адекватную интерпретацию и другим важнейшим геофизическим границам, фиксируемым в недрах Земли. Общее заключение таково, что на таких глобальных сейсмических рубежах, как 410 и 670 км, происходят значительные изменения в минеральном составе мантийных пород. Минеральные преобразования отмечаются также и на глубинах ~850, 1200, 1700, 2000 и 2200-2300 км, то есть в пределах нижней мантии. Это весьма важное обстоятельство, позволяющее отказаться от представления об ее однородной структуре.

И ядром из расплавленного железа. Она занимает основную часть Земли, составляя две трети массы планеты. Мантия начинается на глубине около 30 километров и достигает 2900 километров.

Структура Земли

Земля имеет тот же состав элементов, что и (не учитывая водород и гелий, которые улетучились из-за гравитации Земли). Не беря во внимание железо в ядре, мы можем подсчитать, что мантия представляет собой смесь магния, кремния, железа и кислорода, что примерно соответствует по составу минералам.

Но именно то, что смесь минералов присутствует на заданной глубине является сложным вопросом, который не достаточно обоснован. Мы можем получает образцы из мантии, куски пород, поднятые при определенных вулканических извержениях, с глубины около 300 километров, а иногда и гораздо глубже. Они показывают, что самая верхняя часть мантии состоит из перидотита и эклогита. Самое интересное, что мы получаем от мантии - это бриллианты.

Деятельность в мантии

Верхнюю часть мантии медленно перемешивают движения плит, проходящих над ней. Это вызвано двумя видами деятельности. Во-первых, происходит движение подвижных плит вниз, которые скользят друг под другом. Во-вторых, происходит восходящее движение мантийной породы, когда две тектонические плиты расходятся и раздвигаются. Тем не менее, все эти действие не полностью смешивает верхний слой мантии, и геохимики считают верхнюю мантию каменной версией мраморного пирога.

Мировые модели вулканизма отражают действие тектоники плит, за исключением нескольких областей планеты, называемых горячими точками. Горячие точки могут служить ключом к подъему и опусканию материалов гораздо глубже в мантии, возможно, с самого ее основания. В наши дни идет энергичная научная дискуссия о горячих точках планеты.

Изучение мантии с помощью сейсмических волн

Наш самый мощный метод изучения мантии - это мониторинг сейсмических волн от землетрясений в мире. Два разных вида сейсмичесих волн: волны P (аналогичные звуковым волнам) и волны S (например, волны от встряхиваемой веревки) отвечают физическим свойствам породы, через которую они проходят. Сейсмические волны отражают некоторые типы поверхностей и преломляют (изгибают) другие типы поверхностей, когда наносят по ним удар. Ученые используют эти эффекты для определения внутренних поверхностей Земли.

Наши инструменты достаточно хороши, чтобы рассматривать мантию Земли так, как врачи делают ультразвуковые снимки своих пациентов. После столетия сбора данных о землетрясениях мы можем сделать несколько впечатляющих карт мантии.

Моделирование мантии в лаборатории

Минералы и породы меняются под высоким давлением. Например, общий мантийный минерал - оливин преобразовывается в различные кристаллические формы на глубинах около 410 километров и снова на 660 километрах.

Изучение поведения минералов в условиях мантии происходит двумя способами: компьютерное моделирование, основанное на уравнениях физики минералов и лабораторных экспериментах. Таким образом, современные исследования мантии проводятся сейсмологами, программистами и лабораторными исследователями, которые теперь могут воспроизводить условия в любом месте мантии с помощью лабораторного оборудования под высоким давлением, такого как ячейка с алмазной наковальней.

Слои мантии и внутренние границы

Столетие исследований позволило заполнить некоторые пробелы в знаниях о мантии. Она имеет три основных слоя. Верхняя мантия простирается от основания коры (Мохоровичича) до глубины 660 километров. Переходная зона расположена между 410 и 660 километрами, где происходят значительные физические изменения минералов.

Нижняя мантия простирается от 660 до примерно 2700 километров. Здесь сейсмические волны сильно приглушены, и большинство исследователей считают, что породы под ними различны по химическому составу, а не только по кристаллографии. И последний спорный слой на дне мантии имеет толщину около 200 километров и является границей между ядром и мантией.

Почему мантия Земли особенная

Поскольку мантия является основной частью Земли, ее история имеет фундаментальное значение для . Мантия сформировалась во время рождения Земли, как океан жидкой магмы на железном ядре. Поскольку она затвердевала, элементы, которые не вписывались в основные минералы, собрались в виде накипи на вершине коры. Затем, мантия начала медленную циркуляцию, которую продолжает последние 4 миллиарда лет. Верхняя часть мантии начала охлаждаться, потому что она перемешивалась и гидратировалась тектоническими движениями поверхностных плит.

В то же время мы многое узнали о структуре других (Меркурия, Венеры и Марса). По сравнению с ними, у Земли есть активная смазанная мантия, которая является особенной благодаря тому же элементу, который отличает ее поверхность: воде.

Под земной корой расположен следующий слой, именуемый мантией. Он окружает ядро планеты и имеет толщину почти три тысячи километров. Строение мантии Земли очень сложное, поэтому требует детального изучения.

Мантия и ее особенности

Название данной оболочки (геосферы) происходит от греческого слова, обозначающего плащ или покрывало. В действительности, мантия, словно покрывало окутывает ядро. На нее приходится около 2/3 массы Земли и примерно 83% ее объема.

Принято считать, что температура оболочки не превышает 2500 градусов по Цельсию. Ее плотность в разных слоях существенно отличается: в верхней части она составляет до 3.5 т/куб.м, а в нижних – 6 т/куб.м. Состоит мантия из твердых кристаллических веществ (тяжелых минералов, богатых железом и магнием). Исключением является только астеносфера, которая находится полурасплавленном состоянии.

Структура оболочки

Теперь рассмотрим строение мантии земли. Геосфера состоит из следующих частей:

• верхняя мантия, толщиной 800-900 км;
• астеносфера;
• нижняя мантия, толщиной около 2000 км.

Верхняя мантия – это часть оболочки, которая расположена ниже земной коры и входит в литосферу. В свою очередь она делится на астеносферу и слой Голицина, который характеризуется интенсивным увеличением скоростей сейсмических волн. Эта часть мантии Земли влияет на такие процессы, как тектонические движения плит, метаморфизм и магматизм. Стоит отметить, что строение ее отличается в зависимости от того, под каким тектоническим объектом она располагается.

Астеносфера. Само название серединного слоя оболочки с греческого языка переводится, как «слабый шар». Геосфера, которую относят к верхней части мантии, а иногда выделяют в отдельный слой, характеризируется пониженной твердостью, прочностью и вязкостью. Верхняя граница астеносферы всегда находится ниже крайней линии земной коры: под континентами – на глубине 100 км, под морским дном – 50 км. Нижняя черта ее расположена на глубине 250-300 км. Астеносфера является главным источником магмы на планете, а движение аморфного и пластичного вещества считается причиной тектонических движений в горизонтальной и вертикальной плоскостях, магматизма и метаморфизма земной коры.

О нижней части мантии ученые знают немного. Считается, что на границе с ядром расположен особенный слой Д, напоминающий астеносферу. Он отличается высокой температурой (из-за близости раскаленного ядра) и неоднородностью вещества. В состав же массы входит железо и никель.

Состав мантии Земли

Кроме строения мантии Земли интересен и ее состав. Геосферу создают оливин и ультраосновные породы (перидотиты, перовскиты, дуниты), но присутствуют и основные породы (эклогиты). Установлено, что в оболочке содержатся редкие разновидности, которые не встречаются в земной коре (гроспидиты, флогопитовые перидотиты, карбонатиты).

Если говорить о химическом составе, то в мантии в разной концентрации содержатся: кислород, магний, кремний, железо, алюминий, кальций, натрий и калий, а также их оксиды.

Мантия и ее изучение — видео

Мантию можно подразделить на три главные сейсмические области, которые в целом концентричны с земной поверхностью; верхнюю мантию, переходную зону (с аномальными градиентами скоростей) и нижнюю мантию. Значения плотностей для этих областей показаны на рисунке. Для верхних 400 км мантии характерны весьма низкие плотностные градиенты, а в переходной зоне имеются участки резкого возрастания плотности; глубже 1050 км находится обширная зона низких градиентов плотности, распространяющаяся почти до границы ядра (на глубине 2885 км), за исключением, возможно, еще одной переходной зоны непосредственно в подошве мантии.

Минеральный и химический составы мантии известны далеко не так хорошо, как плотность

Минеральный и химический составы мантии известны далеко не так хорошо, как плотность, но некоторые сведения можно получить из ограничений, налагаемых физическими характеристиками, из данных по метеоритам и из геологических материалов.

1. Физические ограничения используются для того, чтобы определить, какие типы горных пород могут существовать на глубине. Кроме плотности, необходимо учитывать тесно связанный с ней параметр — литостатическое давление (т.е. давление, производимое весом вышележащих пород). Для суждения о проблемах, связанных с плавлением и конвекцией, важна также температура. Если известны давление и температура внутри мантии, а значит, и связанные с ними значения плотности, можно поставить на образцах предположительно мантийных пород физические эксперименты с тем, чтобы определить, насколько представительны эти породы для мантии. В последующем тексте упоминаются различные предположения о возможном составе вещества глубокой мантии, причем плотность дается по измерениям в поверхностных условиях (плотность при «нулевом» давлении).
2. Данные по метеоритам позволяют проверить предположения о возможных составах вещества. Исходя из хондритовой модели Земли, первоначальную мантию Земли можно уподобить силикатным фазам хондритов. В совокупности с теорией распределения элементов по их электронным свойствам это накладывает дополнительные ограничения на валовой состав и на характер изменения состава с глубиной.
3. Геологические материалы, определенно касающиеся мантии, имеют ключевое значение. Среди мантийных пород, которые можно найти на земной поверхности, главную роль играют продукты плавления — вулканические базальты — и содержащиеся в них включения (ксенолиты, обломки) предположительно мантийного материала. Связь между возможным составом мантии и продуктами ее плавления устанавливается методами экспериментальной петрологии, позволяющими воспроизвести температуры и давления, характерные по меньшей мере для верхних 600 км мантии. Глубина источников базальтов вполне укладывается в этот интервал, как это можно установить по землетрясениям, связанным с вулканическими извержениями

Еще один вид сведений геологического характера дает изучение кимберлитовых трубок

Еще один вид сведений геологического характера дает изучение кимберлитовых трубок, уходящих на мантийные глубины, и офиолитов, включающих в себя породы как океанической коры, так и верхней мантии, выведенные на поверхность в результате надвиговых движений.

Офиолиты имеют настолько важное значение, что совершенно невозможно рассматривать состав мантии в отрыве от океанической коры. Конечно, о верхних оболочках Земли сведений несравненно больше, чем о нижних частях мантии: здесь играют свою роль и доступность для отбора образцов, и возможность проведения эксперимента.Здесь мы рассмотрим указанные три плотностные зоны, что послужит вступлением к описанию особенностей динамики коры и мантии, а также характера их эволюции.

Верхняя мантия: эклогит или перидотит? Предварительная модель. Один из подходов к изучению состава мантии — задаться вопросом, из какого вещества могут образоваться базальты, слагающие почти всю океаническую кору и чрезвычайно широко распространенные на суше. Поиски такого исходного вещества легко сводятся к выбору между двумя типами пород: между перидотитами и эклогитами.

1. «Перидотит»-собирательное название обширной группы ультраосновных пород, в типичный состав которых входит около 80% оливина и 20% пироксена. Перидотиты встречаются в виде тектонических линз в некоторых молодых горноскладчатых поясах, на определенных океанических островах (главным образом как включения в базальтах) и в алмазоносных кимберлитовых трубках древних континентальных областей, таких, как Южная Африка и Западная Австралия. Кимберлитовые трубки, образовавшиеся в результате вулканических взрывов с выбросом твердого материала и газов, содержат включения богатого гранатами перидотита, некоторое количество эклогита (см. ниже) и нередко алмазы, причем все это заключено в тонкозернистом цементе, в котором преобладают слюдистые минералы.
2. Эклогит — метаморфическая порода, образующаяся в условиях высоких давлений и низких температур. По химическому составу эклогиты близки к базальтам. В минералогическом отношении эклогиты содержат примерно равные части глиноземистого (т.е. обогащенного алюминием) пироксена и плотного минерала — граната. Эклогиты (как и перидотиты) встречаются в молодых горных поясах, таких, как Альпы и Гималаи, и считаются метаморфизованными базальтами:

плагиоклазовый полевой шпат + пироксен + оливин базальт
гранат + глиноземистый пироксен + кварц. эклогит

Главное различие между эклогитом и перидотитом в мантии земли

Главное различие между эклогитом и перидотитом состоит в том, что эклогит содержит больше граната, тогда как в перидотите преобладает оливин; кроме того, эклогит содержит больше пироксенов и более обогащен кремнеземом.
В обоих случаях интересно рассмотреть природу границы между корой и мантией- сейсмического раздела Мохоровичича (М). Над этой границей океаническая кора имеет базальтовый состав, а континентальная кора резко отличается от нее химически и минералогически (в ней преобладают тоналиты и гранулиты.

Если (в соответствии с преобразованием верхняя мантия имеет эклогитовый состав, то океанический раздел М представляет собой фазовый переход от низкотемпературной к высокотемпературной форме одного и того же базальтового состава. Наоборот, для перидотитовой верхней мантии океанический раздел М отражает изменение состава: от базальтовой, основной коры к перидотитовой, ультраосновной верхней мантии. В обоих случаях континентальный раздел М должен отражать изменение состава.
Подвергнув образцы горных пород испытаниям при соответствующих условиях давления и температуры, исследователи установили, что представление о фазовом переходе не согласуется с наблюдаемыми глубинами океанического раздела М. Чтобы оценить значение этих экспериментальных данных, надо иметь в виду, что фазовый переход должен был бы осуществляться при определенном давлении, а значит, на некоторой постоянной глубине, если бы он не был связан с разными значениями температурного градиента. Более высокие температуры, как правило, вызывают расширение и поэтому благоприятствуют существованию базальта с его низкой плотностью, тогда как более низкие температуры благоприятны для более плотного эклогита, если имеется необходимое давление.

Каковы же условия давления и температуры у раздела Мохоровичича и в верхней мантии?

Давление Р изменяется в зависимости от глубины плотности вышележащего материала. Если для простоты мы примем, что верхние несколько сотен километров Земли имеют среднюю плотность 3300 кг/м3, то получим
Р = 3,3 107hН/м2,
где глубина h выражена в километрах. Или же, пользуясь единицами, более привычными в геологии, можно написать:
Р = 0,33ft кбар.
Температурный градиент зависит от нескольких факторов, таких, как удельная тепло- генерация пород, их коэффициент теплопроводности и тип теплопереноса-конвекция или теплопроводность. Приповерхностные породы коры сравнительно более жесткие, чем более глубинные мантийные материалы, поэтому теплоперенос путем конвекции в них затруднен. Кроме того, в них содержится больше источников радиогенного тепла, чем в любых постулируемых мантийных породах; поэтому для коры характерны наиболее высокие температурные градиенты.

Значения температурных градиентов для неглубоко залегающих пород

Значения температурных градиентов для неглубоко залегающих пород (измеренные в буровых скважинах) лежат, как установлено, между 20 и 40°С/км, но такие значения нельзя экстраполировать на все 2900 км мантии. Помимо низкой теплогенерации мантийных пород и их пластических свойств мы знаем, что разумный предел для температуры внешнего ядра составляет около 4000°С. В глубокой мантии температурный градиент должен уменьшаться до уровня адиабатического градиента, т.е. примерно до 0,3°С/км. Такие криволинейные геотермы включают участки крутых градиентов в жестком, сильно сверхадиабатическом проводящем слое (кора и самые верхи мантии) и более пологие градиенты в слабо сверхадиабатическом, конвектирующем слое, расположенном ниже.
Помимо этих-ярко выраженных особенностей имеются также менее заметные различия между температурными градиентами в приповерхностных океанических и континентальных областях. Это связано с почти одинаковыми значениями равновесного океанического и континентального теплового потока. Поскольку известные континентальные породы характеризуются значительно более высокой теплогенерацией, чем большинство океанических пород, постулируется, что температуры в верхней мантии под океанами должны быть выше, чем под континентами.

Теперь мы можем вернуться к экспериментальным данным, касающимся фазового перехода базальт-эклогит. Точное положение этой границы с уверенностью не установлено, но чем выше температура на глубине, тем глубже осуществляется фазовый переход. Поэтому в районах с высоким геотермическим градиентом раздел М в случае эклогитовой верхней мантии будет глубже, чем в районах с более низким градиентом, таких, как континенты (точка А). Никакой корреляции такого рода междугеотермическим градиентом и глубиной сейсмического раздела Мохоровичича не обнаружено; кроме того, известно, что для появления эклогита необходимы более высокие давления, чем те, которые возможны у океанического раздела М. И последний «гвоздь в гроб» эклогитовой модели-необходимость 100%-ного плавления для получения химически идентичной базальтовой магмы. Полностью жидкий слой должен был бы совершенно гасить S-волны, чего в действительности не происходит. Наблюдаемое слабое затухание соответствует только небольшому (несколько процентов) частичному плавлению, поэтому оно свидетельствует в пользу перидотитовой модели. Таким образом, то обстоятельство, что эклогит по составу очень близок к базальту, отнюдь не означает, что он является исходным материалом для базальта; наоборот, это полностью исключает такую возможность!

Мантия земли видео

Из чего состоит мантия Земли?

Долгое время основным материалом мантии считался оливин - хорошо знакомый многим желтовато-зеленый, оливковый, а то и коричневый минерал, входящий в состав почти всех самых тяжелых горных пород Земли, когда-либо изливавшихся из недр земных расплавленной магмой. Из оливина же в основном состоят и каменные метеориты, прилетающие к нам на Землю из космического пространства.

Некоторые ученые считают, что это остатки строительного материала, из которого образовалисьпланеты , в том числе и наша Земля. Если бы это было так… Сколько проблем и загадок разрешилось бы… Но пока лишь по косвенным признакам можно обсуждать возможный состав и строение вещества мантии.

В 1936 году известный английский физик и видный общественный деятель Джон Берналл предположил, что в глубине земных недр в условиях высоких температур и давлений кристаллики оливина сдавливаются, атомы переупаковываются и должны получаться кристаллы другой, большей плотности .

Аналогичную идею высказал в то же время и Владимир (Вартан) Никитович Лодочников. Он считал, что все физические свойства материи, находящейся в глубине Земли, должны изменяться.

Ученые принялись испытывать оливин в лабораториях. Кубики желто-зеленого минерала сдавливали и нагревали, снова нагревали и опять сдавливали. Оливин под давлением очень подходил по своим сейсмическим характеристикам к веществу мантии, но… При давлениях, соответствовавших глубине примерно 400 километров, он разрушался. Значит, из него могла состоять только верхняя и частично средняя мантия. А что же входит в состав нижней?..