Мантия Земли — часть геосферы, расположенная между корой и ядром. В ней находится большая доля всего вещества планеты. Изучение мантии важно не только с точки зрения понимания внутренней структуры Земли. Оно может пролить свет на формирование планеты, дать доступ к редким соединениям и породам, помочь понять механизм землетрясений и движения литосферных плит. Однако получить информацию о составе и особенностях мантии непросто. Бурить скважины так глубоко люди пока не умеют. Мантия Земли в основном сейчас изучается при помощи сейсмических волн. А также путем моделирования в условиях лаборатории.

Согласно современным представлениям, внутреннее строение нашей планеты подразделяется на несколько слоев. Верхний — это кора, далее лежат мантия и ядро Земли. Кора — твердая оболочка, делящаяся на океаническую и континентальную. Мантия Земли отделена от нее так называемой границей Мохоровичича (по имени хорватского сейсмолога, установившего ее местоположение), которая характеризуется скачкообразным ростом скоростей продольных сейсмических волн.

Мантия составляет примерно 67 % массы планеты. По современным данным, ее можно разделить на два слоя: верхний и нижний. В первом выделяют также слой Голицына или среднюю мантию, являющуюся переходной зоной от верхней к нижней. В целом мантия простирается на глубине от 30 до 2900 км.

Ядро планеты, по представлению современных ученых, состоит в основном из железоникелевых сплавов. Оно также подразделяется на две части. Внутреннее ядро — твердое, его радиус оценивается в 1300 км. Внешнее — жидкое, имеет радиус в 2200 км. Между этими частями выделяют переходную зону.

Кора и верхняя мантия Земли объединяются понятием «литосфера». Это твердая оболочка, имеющая стабильные и подвижные области. Твердая оболочка планеты состоит из литосферных плит, которые, как предполагается, перемещаются по астеносфере — довольно пластичному слою, вероятно, представляющему собой вязкую и сильно нагретую жидкость. Она является частью верхней мантии. Нужно отметить, что существование астеносферы как непрерывной вязкой оболочки не подтверждается сейсмологическими исследованиями. Изучение структуры планеты позволяет выделить несколько подобных слоев, размещающихся по вертикали. В горизонтальном же направлении астеносфера, видимо, постоянно прерывается.

Способы изучения мантии

Слои, лежащие ниже коры, малодоступны для изучения. Огромная глубина, постоянное увеличение температуры и возрастание плотности являются серьезной проблемой для получения информации о составе мантии и ядра. Однако представить структуру планеты все-таки можно. При изучении мантии главными источниками информации становятся геофизические данные. Скорость распространения сейсмических волн, особенности электропроводности и силы тяжести позволяют ученым делать предположения о составе и других особенностях нижележащих слоев.

Кроме того, некоторую информацию удается получить из магматических горных пород и фрагментов мантийных пород. К числу последних относятся алмазы, которые могут многое рассказать даже о нижней мантии. Встречаются мантийные породы и в земной коре. Их изучение помогает понять состав мантии. Однако они не заменят образцов, добытых непосредственно из глубоких слоев, поскольку в результате различных процессов, протекающих в коре, их состав отличен от мантийного.

Мантия Земли: состав

Еще один источник информации о том, что представляет собой мантия, — метеориты. Согласно современным представлениям, хондриты (самая распространенная на планете группа метеоритов) по составу близки к земной мантии. Предполагается, что она содержит элементы, которые находились в твердом состоянии или входили в твердое соединение в процессе формирования планеты. К ним относится кремний, железо, магний, кислород и некоторые другие. В мантии они, объединяясь с диоксидом кремния, образуют силикаты. В верхнем слое располагаются силикаты магния, с глубиной растет количество силиката железа. В нижней мантии происходит разложение этих соединений на оксиды (SiO₂, MgO, FeO).

Особый интерес для ученых представляют породы, не встречающиеся в земной коре. Как предполагается, в мантии таких соединений (гроспидиты, карбонатиты и так далее) немало.

Слои

Остановимся подробнее на протяженности слоев мантии. По представлениям ученых, верхних из них занимает диапазон примерно от 30 до 400 км от земной поверхности. Далее располагается переходная зона, которая уходит вглубь еще на 250 км. Следующий слой — нижний. Его граница располагается на глубине около 2900 км и соприкасается с внешним ядром планеты.

С продвижением вглубь планеты, повышается температура. Мантия Земли находится под действием крайне высокого давления. В зоне астеносферы действие температуры перевешивает, поэтому здесь вещество находится в так называемом аморфном или полурасплавленном состоянии. Глубже под действием давления оно становится твердым.

Исследования мантии и границы Мохоровичича

Мантия Земли не дает покоя ученым уже достаточно длительное время. В лабораториях над породами, предположительно входящими в состав верхнего и нижнего слоя проводятся эксперименты, позволяющие понять состав и особенности мантии. Так, японскими учеными было установлено, что нижний слой содержит большое количество кремния. В верхней мантии располагаются запасы воды. Она поступает из земной коры, а также проникает отсюда на поверхность.

Особый интерес представляет поверхность Мохоровичича, природа которой до конца непонятна. Сейсмологические исследования предполагают, что на уровне 410 км под поверхностью происходит метаморфическое изменение пород (они становятся более плотными), что проявляется в резком увеличении скорости проведения волн. Предполагается, что базальтовые породы в районе границы Мохоровичича превращаются в эклогит. При этом происходит увеличение плотности мантии примерно на 30 %. Есть и другая версия, согласно которой, причина изменения скорости проведения сейсмических волн кроется в изменении состава пород.

В 2005 году в Японии было построено специально оборудованное судно Chikyu. Его миссия — сделать рекордно глубокую скважину на дне Тихого океана. Ученые предполагают взять образцы пород верхней мантии и границы Мохоровичича, чтобы получить ответы на многие вопросы, связанные со строением планеты. Реализация проекта намечена на 2020 год.

Нужно отметить, что ученые не просто так обратили свой взор именно к океаническим недрам. Согласно исследованиям, толщина коры на дне морей значительно меньше, чем на континентах. Разница существенная: под толщей воды в океане до магмы нужно преодолеть в отдельных областях всего 5 км, тогда как на суше эта цифра увеличивается до 30 км.

Сейчас судно уже работает: получены образцы глубоких угольных пластов. Реализация главной цели проекта позволит понять, как устроена мантия Земли, какие вещества и элементы составляют ее переходную зону, а также выяснить нижний предел распространения жизни на планете.

Наше представление о строении Земли пока далеко не полное. Причина тому — сложность проникновения в недра. Однако технический прогресс не стоит на месте. Достижения науки позволяют предположить, что в недалеком будущем мы будем знать о характеристиках мантии гораздо больше.

Источник: FB.ru

Земная мантия делится на несколько областей — верхнюю и нижнюю мантии, а также расположенную между ними переходную зону. За такое разграничение, как считается, ответственны превращения одних минералов в другие, поскольку каждый минерал может стабильно существовать в определенном диапазоне температур и давлений. Верхняя граница нижней мантии расположена на глубине около 660 километров и, по данным геофизических исследований, имеет толщину всего около 7 километров. Но до недавнего времени не было точно известно, какая именно реакция происходит на этой глубине. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, закрывает эту дискуссию, подтверждая гипотезу, что за границу отвечает реакция рингвудит → магнезиовюстит + бриджманит, для которой важно изменение давления всего на 0,01 ГПа, что соответствует изменению глубины всего на 250 метров при мантийных температурах.

Химический состав земной мантии во всем интервале от коры (от первых километров до ~70 км в глубину) до внешнего ядра (2900 км) примерно один и тот же: набор элементов постоянный, немного меняются лишь их концентрации. Преимущественно это магний, железо, кремний, кислород и, в меньшей степени, алюминий. Однако, несмотря на относительную химическую однородность, между различными зонами мантии (верхней мантией, переходной зоной и нижней мантией) существуют довольно четкие границы, хорошо определяющиеся геофизическими методами. Верхнюю мантию от коры отделяет граница Мохоровичича, расположенная на глубинах от 5 до 80 км, следующая граница находится на глубине около 410 км (410-km discontinuity) и маркирует начало переходной зоны, а граница на глубине около 660 км (660-km discontinuity) обозначает конец переходной зоны и начало нижней мантии (рис. 2).

Одна из важнейших причин возникновения мантийных границ — превращение одних минералов в другие. Так как для каждого из них характерна своя зона стабильности — промежуток температур и давлений, в которых минерал может существовать, — смена условий приводит к переходу в иные минеральные фазы и формированию границ. Такое превращение может происходить по-разному. Распространенным случаем является полиморфный переход — смена кристаллической структуры соединения (например, за границу на глубине 410 км «отвечает» превращение оливина в вадслеит — оба минерала имеют формулу Mg₂SiO₄) или же просто возникновение новых минералов (распад рингвудита на ферропериклаз (Mg, Fe)O и бриджманит MgSiO₃).

Граница, расположенная на глубине 660 км, маркирует верх нижней мантии. Изучая отраженные от нее Р-волны, геофизики выяснили, что эта граница крайне узкая — менее двух километров толщиной (что более чем в три раза меньше, чем, например, раздел на глубине 410 км, толщина которого оценивается в ~7 км, см. F. Xu et al., 2003. Survey of precursors to PʹPʹ: fine structure of mantle discontinuities).

На основе геохимических экспериментов было установлено, что верхняя мантия Земли состоит из ~60% (Mg, Fe)₂SiO₄ (в зависимости от глубины это либо оливин, либо вадслеит, либо рингвудит) и 40% пироксенов и гранатов. В нижней мантии ситуация несколько иная: там ~70% приходится на минералы с формулой (Mg, Fe)SiO₃ (это бриджманит или пост-перовскит), 20% — на ферропериклаз и 10% — на кальциевый перовскит. Так как по расчетам давление на глубине 660 км примерно отвечает давлению, при котором рингвудит разлагается на бриджманит и ферропериклаз:

(Mg, Fe)₂SiO₄ → (Mg, Fe)SiO₃ + (Mg, Fe)O,

была выдвинута гипотеза, что за возникновение границы между переходной зоной и нижней мантией отвечает данная реакция. Однако, условия при которых она протекает, были изучены лишь приблизительно, хоть сама граница является крайне важным элементом для объяснения поведения мантийных плюмов и субдуцирующих литосферных плит.

Напрямую залезть в мантию и посмотреть, что там не получится — существующие технологии бурения не позволяют проникать на такую глубину, а на поверхность с нее могут подняться разве что алмазы (см. новость Голубые алмазы сформировались в нижней мантии Земли, «Элементы», 07.09.2018), которые, к сожалению, не несут нужной информации. Эксперименты же по изучению минералов мантии крайне сложны, ведь необходимо одновременно не только контролировать температуру и давление, но и определять химический состав и структуру фаз. Это прямо противоположные задачи: для создания большого давления обычно нужно как можно крепче зажать как можно меньший образец между как можно более толстыми кусками металла или алмаза, а для определения структуры (это делается с помощью рентгеновской дифракции) оптимальной схемой является просто помещение образца в рентгеновский пучок без каких-либо препятствий.

Интервал давлений, которому соответствует граница в несколько километров толщиной, составляет всего около 0,01 ГПа (рис. 3) и, чтобы доказать, что реакция действительно объясняет ее возникновение, требуется очень высокая точность измерения. Предыдущие попытки выяснить, при каких условиях происходит переход рингвудита в бриджманит, давали недостаточно точные результаты — ранее были получены значения с погрешностями ~0,5 ГПа (Е. Ito, Е. Takahashi, 1989.
stspinel transformations in the system Mg₂SiO₄–Fe₂SiO₄ and some geophysical implications) и ~0,2 ГПа (N. Nishiyama et al., 2004. Precise determination of phase relations in pyrolite across the 660 km seismic discontinuity by in situ X-ray diffraction and quench experiments). Главный вывод из этих результатов — интервал давлений, в котором происходит реакция, составляет менее 1 ГПа. То есть точности для того, чтобы «привязать» реакцию к границе, все еще не хватало.

Международной группе ученых во главе с Такаюки Ишии (Takayuki Ishii) наконец удалось получить параметры этой реакции с точностью до 0,05 ГПа и подтвердить ее решающую роль в возникновении границы 660 км. Результаты были опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature Geoscience.

Основная часть исследований производилась на прессах, размещенных на источниках синхротронного излучения в Германии и Японии. Большая энергия пучка, по сравнению с традиционными источниками, вроде рентгеновских трубок, позволяет получать четкую характеристику структур и минеральных фаз, находящихся под давлением в прессах. Два состава Mg₂SiO₄ (X_Mg100) и (Mg_0,7Fe_0,3)₂SiO₄ (X_Mg70) были загружены вместе с маркером давления (MgO) в капсулы (рис. 4). Рентгеновский спектр оксида магния изменяется, в зависимости от давления, что позволяет точно измерять давление.

Благодаря мощности источника удалось четко установить положение пиков на дифракционных спектрах MgO и определять давление с минимальными погрешностями (меньше 0,1 ГПа). Фазовые отношения были определены для различных давлений при фиксированных температурах (1700 и 2000 К, см. рис. 3). Так, для состава X_Mg90, который по существующим гипотезам наиболее точно описывает происходящее на границе 660 км, при 1700 К интервал давлений, в котором рингвудит замещается бриджманитом и ферропериклазом, составляет 0,012 ± 0,008 ГПа, что в условиях мантии соответствует слою толщиной 100–500 метров (то есть в десятки раз меньше, чем ширина границы, полученная геофизическими методами). Если взять более реалистичную оценку мантийной температуры (2000 К), то интервал составит 0,003 ± 0,002 ГПа, то есть толщина пограничного слоя окажется еще меньше.

Однако, термическая структура этой границы несколько сложнее: в этом небольшом интервале температура среды не статична, а зависит также от теплового вклада самой реакции фазового перехода и теплового потока из мантии (J. Verhoogen, 1965. Phase changes and convection in the Earth’s mantle). При этой реакции тепло поглощается, температура снижается и, как следствие, толщина границы увеличивается — максимально до тех самых 7 км. Таким образом можно сделать вывод, что, изучая изменение толщины данной мантийной границы, можно примерно оценивать температуру в каждой ее точке (ведь толщина напрямую от нее зависит). Еще один фактор, который может влиять на толщину границу, — возможное наличие примесей Fe₂O₃ и Al₂O₃, которые изменят химический состав рингвудита и бриджманита, а также могут привести к появлению высокобарного граната. Однако термодинамические расчеты авторов статьи показывают, что даже в этом случае толщина границы остается практически неизменной и решающее влияние оказывает температурный режим.

Полученные результаты не только подтверждают, что верхняя граница нижней мантии на глубине 660 км обязана своим существованием переходу рингвудита в бриджманит, но и позволяют оценить тепловой поток через каждую точку границы, что, в свою очередь, дает возможность уточнить термическую структуру мантии.

Источник: Takayuki Ishii, Rong Huang, Robert Myhill, Hongzhan Fei, Iuliia Koemets, Zhaodong Liu, Fumiya Maeda, Liang Yuan, Lin Wang, Dmitry Druzhbin, Takafumi Yamamoto, Shrikant Bhat, Robert Farla, Takaaki Kawazoe, Noriyoshi Tsujino, Eleonora Kulik, Yuji Higo, Yoshinori Tange & Tomoo Katsura. Sharp 660-km discontinuity controlled by extremely narrow binary post-spinel transition // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0452-1.

Кирилл Власов

Источник: elementy.ru

Нижняя мантия, находящаяся на глубине от 900—1000 до 2900 км, согласно последним геофизическим данным В. Н. Жаркова и В. А. Магницкого (1970 г.), Ф. Пресса (1975 г.), К. Буллена (1978 г.) и др., сложена веществом в твердом состоянии, плотность которого возрастает с глубиной. Однако данные о распространении волн от землетрясений позволили в 1970 г. Л. П. Виннику и А. В. Николаеву установить в ее пределах значительные области неоднородностей. Сейсмические исследования, проведенные Л. П. Винником и Г. Г. Дашковой, указывают также на существование неоднородности в плотности пород нижней мантии и в области ее перехода к ядру, которая на основании определенных геофизических параметров может интерпретироваться как область разуплотнения вещества. В пользу подобной неоднородности нижней мантии говорят и результаты исследований Г. Н. Петровой и А. Н. Храмова вековых вариаций направления магнитного поля Земли. Результаты моделирования РТ-условий мантии провели С. Ванга и других исследователей также к необходимости признания изменений в ее химическом составе на глубину (по крайней мере изменения в содержании железа).

Состав нижней мантии на основе сопоставления данных о строении Земли с составом метеоритов предполагается близким к составу хондритов . На основании «закона соответственных состояний», экспериментальных данных о физических параметрах вещества нижней мантии (например, модуля сжатия — К) и результатов исследования вещества при высоких давлениях установлено, что нижняя мантия, по-видимому, состоит из плотноупакованных минералов типа шпинели, гранатов, периклаза, корунда [27, 30]. Для вещества верхней части нижней мантии — на глубине порядка 1200 км рассчитанная средняя атомная масса (т) составляет 21,9, у ее подошвы — 23,1, а в среднем по слою D — 22,5. Это хорошо согласуется как с результатами сейсмологических исследований, так и с соответствующими данными по минералогии: для силикатной фазы хондритов т составляет 21,8, для перидотитов— 21,6, для дунита — 21,5, а для эклогита — 22,1. Незначительный прирост средней атомной массы (Д/п=1,2) свидетельствует об увеличении плотности в нижней мантии с глубиной на величину порядка 0,14 г/см3, а близость рассчитанных значений т к средней атомной массе хондритов и эклогитов противоречит представлениям о сверхвысоких давлениях в нижней мантии. В. А. Магницким в 1968 г. с учетом наблюдаемого замедления вращения Земли была оценена вязкость нижней мантии. Полученное значение вязкости нижней мантии в 10 Па-с позволяет рассматривать нижнюю мантию как упругое тело, что согласуется и с данными сейсмологии о том, что модуль твердости мантии Земли везде очень велик (не меньше, чем у лучших сортов легированной стали).

В то же время А. Е. Рингвуд — сторонник изначально гомогенной Земли — разработал модель фазовых переходов в условиях сверхвысоких давлений, согласно которой изменение плотности с глубиной объясняется структурными превращениями минеральных составляющих нижней мантии без изменения     химического состава. Однако и он вынужден писать: «Плотность минеральной ассоциации, представленной в нижней мантии, возможно, на 2—5 % выше по сравнению с изохимической смесью окислов пиролитового состава. В принципе это приращение плотности может быть обусловлено появлением дополнительных фазовых переходов в небольшом масштабе на глубинах более 800 км или увеличением содержания железа с глубиной, либо комбинацией этих факторов. Имеющиеся данные, полученные на нескольких направлениях исследований, пока не являются окончательно доказательными…». И несмотря на это, он все же принимает модель фазовых превращений, указывая, что «…в настоящее время отсутствуют серьезные основания для утверждения, что средний атомный вес нижней мантии выше, чем верхней, или что величина отношения MgO/FeO для нижней мантии меньше, чем для верхней», что противоречит изложенным выше данным, в том числе глубинному моделированию Ф. Пресса . Следовательно, не отрицая возможных фазовых превращений, мы не можем обойти те фактические данные об изменении химического состава с глубиной и отсутствии сверхадиабатических давлений в нижней мантии, которые А. Е. Рингвуд попросту не рассматривает. Тем более, что модель А. Е. Рингвуда требует таких высоких давлений, реальность которых в нижней мантии сомнительна.

Источник: pochemuha.ru

Мантия располагается на глубинах менее 2900 км. Она делится на три слоя: нижнюю, среднюю и верхнюю. В верхней мантии, на глубинах порядка 60-250 км, преобладают базальты, находящиеся в состоянии расплава или близком к этому. В этом слое вязкость вещества и его прочность на два-три порядка величины меньше, чем вязкость и прочность вышележащего жесткого слоя. Слой пониженной вязкости называется астеносферой (от греч. астенес — слабый).[ …]

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Поданным О.Г. Сорохтина (1994), масса мантии составляет 67,8 % от общей массы Земли. Мантия подразделяется на верхнюю (до глубины я 400—1000 км) и нижнюю (до глубины около 2900 км). Под океанами в верхней мантии выделяется слой, в котором вещество находится в частично расплавленном состоянии.[ …]

Мантия — это мощная оболочка Земли, залегающая ниже земной коры. Граница между ними проходит по линии Мохоровичича (Мохо), по которой скорость сейсмических волн скачкообразно возрастает с 6—6,5 до 8,2 км/с. По скорости прохождения сейсмических волн собственно мантию подразделяют на 3 зоны: верхнюю, среднюю и нижнюю. Верхняя мантия, называемая часто субстратом, вместе с земной корой образует литосферу — самую жесткую оболочку Земли, ниже которой находится близкий к расплавлению слой пониженной прочности — астеносфера. В нижней мантии температура достигает 3000 “С, а давление — 1 млн атм, под влиянием которого происходят активные метаморфические процессы. До сих пор нет достоверных материалов о составе пород мантии. Предположительно это рудная оболочка с включением сильно метаморфизованных минералов и пород, имеющих особенно плотную кристаллическую упаковку.[ …]

Мантия — подкоровая оболочка, идущая, по К. Е. Буллену (1978), на глубину до 2900 км. Она делится на верхнюю толщиной около 900 км и нижнюю толщиной около 2000 км мантии. Вещество мантии твердое, и, судя по немногим находкам его на дне океана, оно представлено породами ультраосновного и основного составов.[ …]

У нижней границы земная кора на глубинах 40—120 км приобретает пластический характер из-за большого давления и высоких температур. Здесь резко возрастают скорости распространения сейсмических волн. Это явление впервые в 1909 г. обнаружил югославский сейсмолог А. С. Мохоровичич. Его именем названа нижняя граница земной коры. Ниже расположено подкорковое вещество, которое по физическим свойствам одинаково как под океанами, так и под материками. Эту однородную оболочку называют мантией.[ …]

БАЗАЛЬТОВЫЙ СЛОЙ —■ нижний слой земной коры, расположенный между гранитным слоем и верхней мантией Земли.[ …]

Ниже литосферы находится мантия — верхняя (до глубины 966 км) и нижняя (до глубины 2898 км). В верхней мантии содержатся оливины, прочные шпинели, оксиды магния и алюминия, в нижней — металлоподобные вещества повышенной прочности.[ …]

Уменьшение плотности пород в нижних горизонтах коры и верхних горизонтах подкоровой мантии, вызванное частичной серпентинизацией перидотитов, может приводить к изостатическому всплыванию бортов рифтовой зоны на несколько сотен метров [255], которое будет сохраняться в рельефе фундамента и при дальнейшей эволюции палеоспредингового хребта. Объем перидотитов при их серпентинизации увеличивается на 15-20% [45] так, что при значительной инверсии плотности возможно выжимание серпентинитов по трещинам вплоть до поверхности дна, как в зонах трансформных разломов (см. раздел 3.3) [47].[ …]

Основным источником движений в мантии считается генерация тепла радиоактивными элементами, которые могут быть сосредоточены как в самой верхней мантии, так и в нижней мантии [1-4]. В [1] описаны результаты большого количества численных экспериментов по моделированию конвекции в верхней мантии, выполненных в двумерном приближении при разных значениях скорости выделения тепла и при различных типах распределений источников тепла: внутри слоя, частично внутри, а частично при задании потока тепла на нижней границе и при задании всего потока тепла только снизу. Аналогичные расчеты, в том числе с вязкостью, зависящей от температуры Т и давления р, описаны в [3]. В основной серии расчетов [1] суммарный ввод тепла задавался так, чтобы его средняя плотность потока равнялась среднему геотермическому потоку тепла / = 0,06 Вт/м1. Рассчитанные поля скорости оказались порядка наблюдаемых скоростей плит.[ …]

Ниже, до глубины 2900 км, располагается мантия Земли. Мантия Земли разделяется на верхнюю до глубины 950 км и нижнюю до 2900 км, характеризуется более однородным строением и непрерывным (по мере углубления) возрастанием плотности вещества от 3,5 до 5,6 г/см3, а также повышением температуры. На долю мантии приходится 41% массы Земли.[ …]

Выше переходной зоны была выделена верхняя мантия, а ниже — нижняя мантия.[ …]

Скорость V распространения упругих волн по толщине мантии по мере движения от периферии к центру нарастает неравномерно: значительно быстрее в верхней части до глубин Z = 900—1000 км и очень медленно на больших глубинах (рис. 7.2). В связи с этим мантию чаще всего делят на верхнюю и нижнюю, а иногда дополнительно выделяют среднюю мантию.[ …]

Океанская кора представляет собой верхний дифференцированный слой мантии, перекрытый сверху тонким слоем пелагических осадков. Океанская кора состоит из трех слоев. Слой 1 лежит непосредственно под морской водой, средняя толщина водного слоя 4,5 км, скорость Р-волн в нем 1,5 км/с. Скорость Р-волн в слое 1, образованном пелагическими осадками, составляет 1,6-2,5 км/с, его средняя толщина 0,4 км. Слой 2 в верхней части сложен подушечными лавами толеитовых базальтов океанского типа (слой 2а), ниже располагаются долеритовые дайки того же состава (слой 26). Скорость Р-волн в слое 2 изменяется от 4 до 6 км/с, средняя толщина составляет 1,5 км. Верхняя часть слоя 3 сложена габбро, нижняя часть — серпентинитами. Скорость Р-волн в слое 3 составляет 6,4-7,0 км/с, его средняя толщина 5 км. Таким образом, общая толщина (или мощность) океанской коры 7 км.[ …]

Иная картина развивается под мощными континентальными плитами, погруженными в мантию на глубину до 200-250 км. Под ними слой астеносферы практически отсутствует или сильно вырожден. Поэтому под континентальными плитами должно наблюдаться более равномерное распределение вязкости, и горизонтальные составляющие конвективных течений под ними формируются в гораздо большем объеме средней и нижней мантии. Но в связи со значительно большими сечениями горизонтальных потоков под континентальными плитами их скорости оказываются соответственно более низкими (порядка единиц сантиметров в год). Скорее всего этим и объясняются значительно меньшие скорости дрейфа континентов, особенно крупных (прочно «зацепленных» с мезосферой Земли) и спаянных с ними океанических плит по сравнению со скоростями движения чисто океанических плит, особенно расположенных между восходящими и нисходящими потоками в мантии.[ …]

Мангия — промежуточная оболочка, расположенная между литосферой и ядром Земли. Нижняя ее граница проходит предположительно на глубине 2900 км. На мантию приходится более половины объема Земли. Вещество мантии находится в перегретом состоянии и испытывает огромное давление вышележащей литосферы. Мантия оказывает большое влияние на процессы, происходящие на Земле. В верхней мантии возникают магматические очаги, образуются руды, алмазы и другие ископаемые. Отсюда же на поверхность Земли поступает внутреннее тепло. Вещество верхней мантии постоянно и активно перемещается, вызывая движение литосферы и земной коры.[ …]

Достаточно детально сейсмическими и другими геофизическими методами изучена верхняя мантия Земли. Эта часть Земли наиболее доступна для геофизического изучения и наиболее важна для жизни человечества. Верхняя мантия простирается от границы Мохо до глубины 400 км. В состав верхней мантии входит нижняя часть литосферы и верхняя часть астеносферы. Литосфера представляет собой каменную (твердую и прочную) верхнюю оболочку Земли. Ее толщина меняется от 50 до 150 км в разных регионах Земли, следовательно, литосфера включает земную кору и часть верхней мантии, в которой мантийное вещество настолько остыло, что превратилось в горную породу.[ …]

Прибор состоит из деревянного футляра 1, гребенки 2, трех поглотительных сосудов 3, 4 и 5, сосуда-мантии 6, сосуда-фильтра 7, уравнительной склянки 8, тройника 9 с баллоном-мешочком 11, всасывающего баллона 12. В сосуде-мантии 6 установлена бюретка 14. Поглотительные сосуды соединены резиновыми трубками со средними кранами гребенки, сосуд-фильтр 7 соединен через изогнутую трубку с левым краном, а нижний отвод его с помощью соединительной трубки 13 со штуцером 10, сосуд-бюретка соединена с правым краном гребенки и с уравнительной склянкой 8.[ …]

Астеносфера (от греч. ав епеБ — слабый и сфера), слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней мантии Земли. Расположен на глубинах около 100 км под континентами и около 50 км под дном океана; нижняя его граница находится на глубинах 250 — 350 км. Не исключена прерывистость слоя. Вязкость вещества астеносферы 1019—1023 пз, ниже и выше границ астеносферы они не менее 1023 пз. Предполагается, что в пределах астеносферы, в связи с низким пределом текучести, происходит медленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны земной коры. Наличие астеносферы объясняется высоким геотермическим градиентом, высокой температурой вещества астеносферы, близкой к температуре плавления, и процессами релаксации. В пределах астеносферы лежат обычно очаги питания вулканов и осуществляется перемещение подкорковых масс, которые сопровождаются изменением формы залегания, объема, внутренней структуры и взаимного расположения тел горных пород. Эти изменения происходят под действием глубинных сил Земли, порождающие в земной коре условия местного направленного или всестороннего растяжения, сжатия или сдвига, так называемые тектонические процессы.[ …]

Размером немного меньше вороны, массой — с голубя. В брачном оперении голова темно-коричневая, издали кажется черной. Мантия светло-серая. Клюв и ноги темно-красные. От малой чайки отличается размерами; кроме того, темное оперение на голове не захватывает затылок, нижняя поверхность крыла не черная, темные только концы крыльев. В осеннем оперении на голове остается темной только «сережка» и могут быть еще небольшие «помарки».[ …]

Средняя мощность геосферы — 55 км. За ее верхнюю границу принимают тропопаузу — переходный слой от тропосферы к стратосфере (12—18 км), за нижнюю — границу земной коры с мантией (до глубины 4—5 км). Гидросфера и биосфера полностью включены в состав геосферы (рис. 1.29).[ …]

В ходе моделирования истории развития Лабрадорского хребта была проведена оценка влияния процесса серпентинизации перидотитов верхней мантии. Г.Хесс [290] предположил, что низы третьего слоя океанической коры образуются в результате гидратации перидотитов мантии при охлаждении ниже температуры 500° С. В дальнейшем проблема серпентинизации ультраосновных пород в океанической коре не раз обсуждалась в литературе [74, 11, 47]. А.В.Пейве отмечал, что в океанической коре, в зоне раздела Мохоровичича, происходят мощные процессы гидротермальной переработки пород верхней части мантии и мафической части нижней коры. Подчеркивая важную роль серпентинитов в структуре океанической коры, он полагал, что серпентинизацией затронуты все породы на глубинах, где температура не превышает 500-550° С [95].[ …]

Важные сведения о неупругих свойствах глубоких частей Земли получаются из наблюдений затухания собственных колебаний. Если принять, что механическая добротность вещества мантии С не зависит от частоты, то значения ф, получающиеся по наблюдениям, показывают, что для нижних частей мантии ф больше, чем для верхних. Особый интерес представляет чрезвычайно большое С > 25 000 для колебаний о£о- Из этого факта делается вывод о том, что поглощение упругих волн происходит в основном вследствие деформации сдвига.[ …]

В строение Земли, как это следует из рнс.1, принимают участие восемь слоев, три из которых представляют внутреннее и внешнее ядро с переходной областью, четыре слоя соответствуют нижней и верхней мантии и один слой представляет земную кору. В таблице I приведены сведения об интервалах глубин, отвечающих тому или иному слою, о скоростях прохождения в слоях упругих сейсмических волн, плотности вещества, температуре и давлении, а также о доле каждого из слоев в общей массе Земли.[ …]

В отличие от современных условий молодая Земля, как уже отмечалось, была существенно более холодной, лишенной астеносферы и ядра, а также характеризовалась отрицательным градиентом температуры в нижней мантии. Поэтому в те далекие времена механическая добротность Земли в ее глубинных недрах скорее всего существенно превышала фактор добротности современной литосферы. Однако следует учитывать, что на приливное взаимодействие планет в основном влияют слои с наименьшими значениями фактора добротности. Учитывая это для определенности расчетов, принималось, что в течение всего катархея, т.е. периода от момента образования Земли приблизительно 4,6 млрд лет назад и вплоть до начала развития в ней геологических процессов в самом начале архея, около 4 млрд. лет назад, значение приливного фактора добротности Земли равнялось 1500 [120].[ …]

Здесь угловые скобки — осреднение по горизонтали, штрихи означают отклонения величины от ее среднего. При р = 104 кг/ж и д = = 10 м/с2 от сюда получаем т = 10-9 кг/(м2 • с) = 3 • 10-2 кг/ м2 х х год). Если вся эта величина определяется дифференциацией на нижней границе мантии, то ее скорость движения вверх будет т/р, что в нашем случае составит 3 • 10 6 м/год, т. е. 3 км за миллиард лет.[ …]

В круговороте углерода определенную роль играют СО и СОг Часто в биосфере Земли углерод представлен наиболее подвижной формой С02. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.[ …]

Многие природные данные свидетельствуют в пользу того, что зона волновода является зоной, ослабленной в механическом смысле и, в частности, слабо сопротивляющейся сдвиговым напряжениям. Поэтому она допускает движение литосферы относительно нижней мантии. Как отмечалось, наиболее вероятной причиной поведения астеносферы под океанами одновременно и как ослабленной зоны, и как зоны пониженных скоростей сейсмических волн является наличие в ней частично расплавленного вещества мантии. Анализ изменения добротности в астеносфере под океаном свидетельствует о том, что процент расплава вне срединных хребтов ниже, чем под хребтами, и доля плавления в пределах 1-10% хорошо объясняет наблюдаемые значения затухания сейсмических волн в астеносфере под океаном и под внутриконтинен-тальными рифтовыми областями. Эти выводы основаны на результатах лабораторных исследований затухания сейсмических волн в расплавах с различной степенью плавления [518].[ …]

Земная кора — твердая внешняя оболочка Земли толщиной до 70 км в горных областях, около 30 км под равнинами, 5—7 км под океанами. Верхняя часть земной коры — осадочный слой, он состоит из осадочных пород, средняя — «гранитный» слой (выражен только на материках), нижняя — «базальтовый» слой. Под земной корой располагается мантия (толщиной около 2900 км). Занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе. Мантия Земли состоит, видимо, преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом. С процессами, происходящими в верхней (граничащей с земной корой) мантии Земли, тесно связаны тектонические движения, вулканизмы, горнообразование и др.[ …]

Литосфера — твердая оболочка Земли, толщина которой колеблется в пределах от 50 до 200 км. Суша занимает около 29% поверхности земного шара. Верхняя часть литосферы образует земную кору, толщина которой на континентах доходит до 50…75 км, под дном океанов — 5… 10 км, а нижняя — верхнюю часть мантии Земли. Граница между этими частями литосферы определяется по скачку в изменении скорости распространения продольных и поперечных упругих сейсмических волн (так называется граница Мохоровичича, или поверхность М).[ …]

В архее приливная добротность Земли, как и в фанерозое, должна была быть достаточно низкой по двум причинам. Во-первых тогда сами океаны еще были мелкими и в них рассеивалась значительная часть приливной энергии и, во-вторых, в архее уже происходило расплавление нижней мантии (во всяком случае на низких широтах) с существенным ее перегревом. Учитывая теперь неразрывность процесса отодвигания Луны от Земли, и связывая его воедино в катархее, архее, протерозое и фанерозое, найдем, что в архее фактор приливной добротности Земли в среднем равнялся 26.[ …]

Сильная отрицательная обратная связь возникает за счет теплопотерь Земли. Так, с увеличением скорости конвективного массообмена возрастают тепловые потоки через океанское дно, увеличиваются общие потери тепла Землей, благодаря этому уменьшается температура мантии, повышается вязкость ее вещества, что, в свою очередь приводит к снижению конвективного массообмена в мантии. Другой механизм отрицательной обратной связи заложен в самом процессе бародиффузионной дифференциации мантийного вещества. Действительно, диффузия окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства происходит только в нижней мантии на глубинах превышающих 2000 км. Поэтому чем выше скорость конвекции, тем меньшее время мантийное вещество будет пребывать в деятельном слое нижней мантии, тем меньше за это время “ядерного” вещества успеет диффундировать из кристаллов силикатов и перетечь в земное ядро, а замедление процесса дифференциации неизбежно приведет к снижению скорости и самой конвекции.[ …]

В подземных водах пластовых водонапорных систем существуют три источника газов: газы, захваченные из воздуха; газы, генерируемые в осадочных породах (в результате деструкции ОВ пород, процессов литогенеза, радиоактивного распада и т. д.); газы, поступающие в осадочную оболочку из нижних этажей земной коры и мантии. Поли-генность и подвижность газов в осадочных породах обусловливают образование различных газовых ассоциаций, генетичная природа которых на молекулярном уровне исследований в ряде случаев не поддается расшифровке. Более уверенно генетическую природу отделйнтах газовых компонентов можно выявлять с использованием данных по изотопному составу.[ …]

Анализ изложенных выше основных данных о Земле, ее внутреннем строении и эволюции и их сопоставление с тем, что известно об окружающем нас Космосе, показывают, что Земля является уникальной, единственной пригодной для жизни планетой не только в Солнечной системе, но и в окрестностях Солнца, которые простираются на десятки и сотни световых лет. Лик Земли, ее континенты и океаны, горы, впадины и равнины сформировались в результате сложных процессов конвекции в верхней и нижней мантии. И даже конвекция в ядре Земли оказывает влияние на мощные извержения раскаленных магм в различных точках земной поверхности. Эти процессы осуществляются в основном за счет тепловой энергии Земли, которая выделялась при гравитационном сжатии и распаде радиоактивных веществ. И в настоящее время Земля является активно эволюционирующей планетой. На определенном этапе развития Земли произошло образование океана и атмосферы.[ …]

Источник: ru-ecology.info

Структура Земли

Земля имеет тот же состав элементов, что и Солнце и другие планеты (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 геологии. 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 планет земной группы (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.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Источник: NatWorld.info