Шесть основных фактов про мантию земли

Новый основной парадокс

«Парадокс нового ядра» утверждает, что новые пересмотры в сторону увеличения эмпирически измеренной теплопроводности железа в условиях давления и температуры ядра Земли подразумевают, что в настоящее время динамо термически стратифицировано, движимое исключительно композиционной конвекцией, связанной с затвердеванием Внутреннее ядро. Однако широко распространенные палеомагнитные свидетельства геодинамо старше вероятного возраста внутреннего ядра (~ 1 млрд лет) создают парадокс в отношении того, что приводило в действие геодинамо до зарождения внутреннего ядра. Недавно было высказано предположение, что более высокая скорость охлаждения ядра и меньшая скорость охлаждения мантии могут частично разрешить парадокс. Однако парадокс остается неразрешенным.

Недавно были предложены два дополнительных ограничения. При численном моделировании свойств материала чугуна при высоких давлениях и температурах верхний предел теплопроводности составляет 105 Вт / м / К. Этот пересмотр в сторону понижения проводимости частично снимает проблемы парадокса нового ядра за счет снижения адиабатического теплового потока ядра, необходимого для поддержания термоконвективности ядра. Однако позже это исследование было отозвано авторами, которые заявили, что их расчеты были ошибочными в два раза из-за пренебрежения вырождением спина. Это уменьшило бы электрон-электронное сопротивление вдвое, что подтвердило бы более ранние оценки высокой проводимости железа.

Кроме того, недавние геохимические эксперименты привели к предположению, что радиогенное тепло в ядре больше, чем считалось ранее. Этот пересмотр, если он верен, также уменьшит проблемы с тепловым балансом ядра, предоставив дополнительный источник энергии назад во времени.

Структура мантии и фазовые переходы в породе мантии

Земная мантия подразделяется на несколько слоев, которые меньше различаются по химическому составу, чем по механическим свойствам, а также по кристаллической структуре и плотности минералов мантийной породы. Здесь проводится грубое различие между верхней и нижней мантией.

Самый высокий слой верхней мантии — литосферная мантия . Вместе с земной корой он образует литосферу , которая механически отделена от остальной мантии. Реологическое поведение литосферной мантии можно описать как жесткое по сравнению с остальной частью мантии. Пластическая деформация действительно имеет место, однако, в отличие от остальной части оболочки, которая течет как единое целое, она ограничена отдельными участками ( зонами сдвига ). Граница раздела между нижней корой Земли и литосферной мантией известна как разрыв Мохоровичича . Сама литосферная мантия простирается от менее 100 до более чем 300 км в глубину. Вернувшись в верхние 100 км мантии, которая все еще находится в литосфере, обнаруженные в результате повышения литостатического давления, фазовые переходы алюминийсодержащих минералов, удерживаемые, в частности, на уровне всего 1 ГПа, стабильные при низких давлениях плагиоклаз в шпинель составляет 2,5 пока 3 ГПа не превратятся в гранат . Это сопровождается незначительными изменениями минеральных пропорций мантийной породы (см. Таблицы в статье о перидотите ). Средняя плотность пород литосферной мантии составляет 3,3 г / см³.

На дне литосферной мантии находится астеносфера с относительно низкой вязкостью и небольшими частями, частично расплавленная, толщиной примерно от 100 до 200 км . Поскольку для нее характерны заметно низкие скорости сейсмических волн , она также известна как зона низкой скорости (LVZ). Средняя плотность астеносферной породы составляет 3,3 г / см³.

Нижний слой верхней мантии — это так называемая переходная зона мантии . На сейсмических профилях по направлению к астеносфере он ограничен так называемым разрывом 410 км , который отмечает фазовое превращение оливина из α-фазы в более плотную β-фазу ( вадслеит ). На глубине около 520 км вадслеит переходит в снова более плотную γ-фазу оливина ( рингвудит ) ( разрыв 520 км ). В этом диапазоне глубин Ca перовскит также образуется из других кальцийсодержащих минералов , который составляет несколько процентов по объему и также существует как отдельная фаза в нижней мантии. С глубины около 300 км пироксен и гранат постепенно образуют смешанный кристалл с низким содержанием алюминия со структурой граната ( мажорит ), который устойчив на большей части переходной зоны между 410 и 660 км и в самой верхней части нижней мантии. Средняя плотность мантийных пород переходной зоны составляет 4,2 г / см³.

На границе 660 км оливин или рингвудит окончательно распадается на перовскит и ферропериклаз / магнезиовюстит — этот заметный сейсмический разрыв отмечает границу между верхней и нижней мантией. Большая часть нижней мантии также называется мезосферой (не путать с одноименным слоем земной атмосферы ). Здесь минералы мантийной породы со средней плотностью 5,0 г / см3 больше не подвергаются каким-либо фазовым превращениям, которые приводят к глобальным нарушениям сплошности.

Возможным исключением является превращение перовскита в постперовскит, которое происходит при давлениях выше 120 ГПа и может быть причиной так называемого слоя D ″ на границе между мантией Земли и внешним ядром Земли.

Каково же строение мантии Земли?

Геосферу можно охарактеризовать наличием трех слоев. Это верхняя мантия Земли, за ней идет астеносфера, и замыкается ряд нижней мантией.

Мантия состоит из верхней и нижней, первая простирается вширь от 800 до 900 км, вторая имеет ширину 2 тысячи километров. Общая толщина мантии Земли (обоих слоев) равняется приблизительно трем тысячам километров.

Наружный фрагмент расположен под земной корой и входит в литосферу, нижний составляют астеносфера и слой Голицина, для которого характерно увеличение скоростей сейсмических волн.

Согласно гипотезе ученых, верхняя мантия образована прочными породами, поэтому твердая. Но на отрезке от 50 до 250 километров от поверхности земной коры есть не в полной мере расплавленная прослойка – астеносфера. Вещество в этой части мантии напоминает аморфное или полурасплавленное состояние.

Этот слой имеет мягкую пластилиновую структуру, по которому перемещаются твердые слои, находящиеся выше. В связи с этой особенностью эта часть мантии имеет способность течь очень медленно, на несколько десятков миллиметров в год. Но тем не менее это весьма ощутимый процесс на фоне движения земной коры.

Процессы, протекающие внутри мантии, оказывают влияние и прямое воздействие на кору земного шара, вследствие чего происходит движение континентов, горообразование, а человечество сталкивается с такими природными явлениями, как вулканизм, землетрясения.

Исследование [ править ]

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.

Первая попытка исследования мантии, известная как Project Mohole , была прекращена в 1966 году после неоднократных неудач и перерасхода средств. Самое глубокое проникновение составило примерно 180 м (590 футов). В 2005 году океаническая скважина опустилась на глубину 1416 метров (4646 футов) от морского дна с морского бурового судна JOIDES Resolution .

Более успешный был проект бурения Deep Sea (DSDP) , которая действовала с 1968 по 1983 гг координированных в Институте океанографии Скриппса в Университете Калифорнии, Сан — Диего , DSDP при условии , важные данных для поддержки спрединга гипотезы и помог доказать теорию из тектонических плит . Glomar Challenger провела буровые работы. DSDP была первой из трех международных программ научного океанского бурения, которые действовали более 40 лет. Научное планирование проводилось под эгидой Объединенных океанографических институтов по отбору глубинных проб Земли.(JOIDES), в консультативную группу которого входили 250 выдающихся ученых из академических институтов, государственных учреждений и частного сектора со всего мира. Drilling Program океана (ODP) продолжил исследование с 1985 по 2003 год , когда он был заменен на комплексной программе океанического бурения (IODP).

5 марта 2007 года группа ученых на борту RRS James Cook отправилась в путешествие к району дна Атлантического океана, где мантия обнажена без какого-либо коркового покрытия, на полпути между островами Зеленого Мыса и Карибским морем . Открытое место находится примерно в трех километрах под поверхностью океана и покрывает тысячи квадратных километров.
Сравнительно сложная попытка получить образцы мантии Земли была запланирована на конец 2007 года. Миссия Chikyu Hakken попыталась использовать японское судно Chikyūдля бурения до 7000 м (23000 футов) ниже морского дна. Это почти в три раза глубже, чем предыдущие океанические бурения .

В 2005 году был предложен новый метод исследования нескольких сотен самых верхних слоев Земли, состоящий из небольшого плотного тепловыделяющего зонда, который плавит свой путь сквозь кору и мантию, а его положение и продвижение отслеживаются с помощью генерируемых акустических сигналов. в скалах. Зонд состоит из внешней вольфрамовой сферы диаметром около одного метра с внутренней частью из кобальта-60, действующей как радиоактивный источник тепла. Было подсчитано, что такой зонд достигнет океанического Мохо менее чем за 6 месяцев и достигнет минимальной глубины более 100 км (62 мили) за несколько десятилетий под океанической и континентальной литосферой .

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.

2.2.3. Неоднородность и динамика мантии

2.42

Рис. 2.42.  Сейсмотографические срезы различных мантийных глубин
2.43

Рис. 2.43.  Температурная модель современной мантии
2.44

Рис. 2.44.  Вариации сейсмических скоростей в мантии
апвеллингамиupwellingдаунвеллингамиdownwellingапвеллингасуперплюмамидаунвеллингаантиподально2.45

Рис. 2.45.  Расположение крупнейших современных восходящих и нисходящих мантийных потоков
конвекции2.46

Рис. 2.46.  Мантийная конвекция
скоростью подъёма до 50 см/годконвекцию28-30а)общемантийнаяоднояруснаяконвекция2.47одно-дву-многоячеистой

Рис. 2.47.  Общемантийная конвекция
суперконтинентов2.48

Рис. 2.48.  Условия и время формирования суперконтинентов
В.Е. ХаинуПангея-0ПангеяПангея-IРодинияПангея-IIПанталассасуперконтинентальным цикломцикломВилсонаб)многоярусная конвекция2.49

Рис. 2.49.  Двух- и трёхъярусная мантийная ковекция
в)субдуцировавших2.50

Рис. 2.50.  Сейсмотографические профили зон субдукции
г)М. А. Гончаровым

  • Система нулевого ранга — панглобальная, охватывает твёрдую Землю в целом и связана с её осевым вращением. Она выражается в сочетании с мантийной конвекцией в западном и северном дрейфе континентов, при этом северный дрейф периодически сменяется южным; продолжительность таких циклов составляет — ~800 млн. лет [].
  • Геодинамическая система первого ранга действует в период становления и распада суперконтинентов. Она охватывает всю мантию и состоит из двух конвективных ячеек (под суперконтинентом и под единым океаном), из которых океанская в период распада Пангеи становится двухъярусной, проявляясь раздельно в нижней и верхней мантии.
  • Геодинамическая система второго ранга действует лишь в верхней мантии, при этом восходящие потоки располагаются под срединно-океанскими хребтами, а нисходящие — в зонах субдукции и последующей коллизии.
  • Геодинамические системы третьего ранга ограничиваются литосферой и астеносферой. Они ответственны за образование активных континентальных окраин — системы «глубоководный желоб — островная дуга — окраинное море».
  • Системы четвертого ранга приурочены к осадочным чехлам коры и с ними связано складко-, надвиго- и покровообразование, а также гранитоидный магматизм и региональный метаморфизм в пределах горно-складчатых сооружений [].

д)2.51

Рис. 2.51.  Схема глобальной динамики Земли
плюмовсуперплюмамиапвеллингамиДж. Морганом»горячие точки»hot spot2.522.532.542.55

Рис. 2.52.  Основные уровни зарождения и строение плюмов

Рис. 2.53.  Расположение современных плюмов

Рис. 2.54.  Проекция на поверхность Тихоокеанского и Африканского апвеллингов и отдельных плюмов

Рис. 2.55.  Соотношение плюмов и мантийной конвекции

Основные данные по мантии

пиролитанеоднородным2.56

Рис. 2.56.  Расположение ослабленных слоёв в современной мантии
слэбовапвеллинговВязкость22261920202124251920второй астеносферойслое БерзонULVZ34-1-33910дифференциации2.57

Рис. 2.57.  Главная структурная асимметрия Земли
Индо-АтлантическийТихоокеанскийЮ. М. Пущаровскому

Библиография

  • Раймонд Жанло , Энциклопедия вулканов , Сан-Диего, Academic Press,2000 г., 41–54  с. ( ISBN  978-0-12-643140-7 ) , «Мантия Земли»Раймонд Жанло , Энциклопедия вулканов , Сан-Диего, Academic Press,2000 г., 41–54  с. ( ISBN  978-0-12-643140-7 ) , «Мантия Земли»Раймонд Жанло , Энциклопедия вулканов , Сан-Диего, Academic Press,2000 г., 41–54  с. ( ISBN  978-0-12-643140-7 ) , «Мантия Земли»
  • Никсон, Питер Х. (1987). Ксенолиты мантии: J. Wiley & Sons, 844p., ( ( ISBN  0-471-91209-3 ) ).
  • Дональд Л. Таркотт и Джеральд Шуберт, Геодинамика, Cambridge University Press , Третье издание (2014), ( ISBN  978-1-107-00653-9 ) (твердый переплет) ( ISBN  978-0-521-18623-0 ) (Мягкая обложка)

Подземный «океан» в мантии

Исследования учёных из Франции и России свидетельствуют о том, что между верхней и нижней мантией на глубине 410-660 км содержится огромный резервуар с водой. По приблизительным подсчётам воды в подземном резервуаре много и её количество можно сопоставить с количеством воды во всём Мировом океане.

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.

Особенности состава ядерной части Земли

Ядро Земли, как и любой другой объект, имеет определённый состав, однако данных о нём немного. Об этом имеются лишь косвенные сведения, которые были получены различными путями. Вероятнее всего, наиболее близкий состав имеют метеориты из железа, это своего рода элементы астероидных ядер. Однако они не могут обеспечить детальное представление о веществе, из которого земное ядро состоит. Ведь образование их произошло в значительно меньших телах и иных условиях.

Химический состав ядра

Наряду с этим были проведены сейсмические исследовательские работы. В рамках их организации учёные смогли получить наиболее точную информацию о размерных характеристиках ядра, а также о плотности. Всё это наложило дополнительные ограничения на состав. Дело в том, что ядерная плотность на 5-10% ниже, нежели идентичный показатель сплавов из железа и никеля. Однако наиболее вероятны следующие вещества:

  • кислород;
  • сера;
  • углерод;
  • кремний;
  • водород;
  • фосфор;
  • другие материалы с похожими свойствами и характеристиками.

Наряду с этим ядро Земли, а точнее его состав, может быть оценён в соответствии с геохимическими и космохимическими предпосылками. Если бы была возможность определения первичного состава Земли и вычисления доли элементов, приходящихся на прочие геосферы, возникли бы шансы на построение схем состава ядра. Помощь и поддержку в этом направлении обеспечивают эксперименты, связанные с распределением элементов между железными материалами и фазами силикатов.

Сейсмическая структура

1 = континентальная кора, 2 = океаническая кора, 3 = верхняя мантия, 4 = нижняя мантия, 5 + 6 = ядро, A = граница кора-мантия (разрыв Мохоровича)

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.

Кора и мантия различаются по составу, а литосфера и астеносфера — по изменению механических свойств.

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.

Поперечный разрез Земли, показывающий пути волн землетрясений. Пути изгибаются, потому что разные типы горных пород, найденные на разной глубине, изменяют скорость волн. S-волны не проходят через ядро

Граница между верхней и нижней мантией представляет собой разрыв длиной 670 км (420 миль). Землетрясения на небольших глубинах возникают в результате сдвигового разлома ; однако ниже примерно 50 км (31 миль) жаркие условия с высоким давлением препятствуют дальнейшей сейсмичности. Мантия вязкая и не подвержена разломам . Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются на глубине до 670 км (420 миль).

Разрыв Лемана

Разрыв Леман происходит резкое увеличение P -волны и S -Волновая скорости на глубине 220 км (140 миль) (Заметим , что это другая «Леман разрыва» , чем между внутренними и внешними ядрами Земли в меченой изображение справа.)

Переходная зона

Переходная зона расположена между верхней и нижней мантией на глубине от 410 км (250 миль) до 670 км (420 миль).

Считается, что это происходит в результате перестройки зерен оливина с образованием более плотной кристаллической структуры в результате увеличения давления с увеличением глубины. Ниже глубины 670 км (420 миль) из-за изменений давления минералы рингвудита превращаются в две новые более плотные фазы, бриджманит и периклаз. Это можно увидеть с помощью объемных волн от землетрясений , которые преобразуются, отражаются или преломляются на границе и предсказываются физикой минералов , поскольку фазовые изменения зависят от температуры и плотности и, следовательно, зависят от глубины.

410 км разрыв

Один пик наблюдается во всех сейсмологических данных на высоте 410 км (250 миль), что предсказывается одним переходом от α- к β- Mg 2 SiO 4 (оливин к вадслеиту ). Из наклона Клаузиуса этот разрыв , как ожидается , будет мельче в холодных регионах, таких как погружающейся плиты и глубже в более теплых регионах, таких как мантийных плюмов .

670 км разрыв

Это наиболее сложный разрыв, обозначающий границу между верхней и нижней мантией. Он появляется в предшественниках PP (волна, которая отражается от неоднородности один раз) только в определенных областях, но всегда проявляется в предшественниках SS. Это видно как одиночные и двойные отражения в функциях приемника для преобразования P в S в широком диапазоне глубин (640–720 км, или 397–447 миль). Наклон Клапейрона предсказывает более глубокий разрыв в более холодных регионах и более мелкий разрыв в более горячих регионах. Этот разрыв , как правило , связан с переходом от рингвудита к bridgmanite и периклаза . Это термодинамически эндотермическая реакция, вызывающая скачок вязкости. Обе характеристики заставляют этот фазовый переход играть важную роль в геодинамических моделях.

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.

Структура [ править ]

Реология

Мантия Земли разделена на два основных реологических слоя: жесткую литосферу, составляющую самую верхнюю мантию, и более вязкую астеносферу , разделенную границей литосферы и астеносферы . Литосфера, подстилающая океаническую кору, имеет толщину около 100 км, тогда как литосфера, лежащая под континентальной корой, обычно имеет толщину 150–200 км. Литосфера и вышележащая кора составляют тектонические плиты , которые перемещаются по астеносфере.

Мантия Земли делится на три основных слоя, определяемых внезапными изменениями сейсмической скорости:

  • верхняя мантия (начиная с Moho, или основание коры вокруг 7 до 35 км ( от 4,3 до 21,7 миль) вниз до 410 км (250 миль))
  • переходная зона (примерно 410-660 км или 250-410 миль), в котором вадслеит (≈ 410-520 км или 250-320 мл) и рингвудит (≈ 525-660 км или 326-410 миль) являются стабильным
  • нижняя мантия (приблизительно 660-2,891 км или 410-1,796 миль), в котором bridgmanite (≈ 660-2,685 км или 410-1,668 мили) и пост-перовскит (≈ 2,685-2,891 1,668-1,796 км или мили) являются стабильными

Нижние ~ 200 км нижней мантии составляют слой D «( D-double-prime ), область с аномальными сейсмическими свойствами. Эта область также содержит LLSVP и ULVZ .

Минералогическое строение

Минеральные превращения в мантии

Вершина мантии определяется внезапным увеличением сейсмической скорости, что впервые было отмечено Андрией Мохоровичичем в 1909 году; эта граница теперь называется разрывом Мохоровича или «Мохо».

В верхней мантии преобладает перидотит , состоящий в основном из различных соотношений минералов оливина , клинопироксена , ортопироксена и глиноземистой фазы. Глиноземистая фаза — плагиоклаз в самой верхней мантии, затем шпинель , а затем гранат ниже ~ 100 км. Постепенно через верхнюю мантию пироксены становятся менее устойчивыми и превращаются в мажоритный гранат .

В кровле переходной зоны оливин претерпевает изохимические фазовые переходы в вадслеит и рингвудит . В отличие от номинально безводного оливина, эти полиморфы оливина высокого давления обладают большой способностью удерживать воду в своей кристаллической структуре. Это привело к гипотезе о том, что переходная зона может содержать большое количество воды. В основании переходной зоны рингвудит разлагается на бриджманит (ранее называвшийся перовскитом силиката магния) и ферропериклаз. Гранат также становится нестабильным у основания переходной зоны или чуть ниже него.

Нижняя мантия состоит в основном из бриджманита и ферропериклаза с небольшими количествами перовскита кальция, оксида со структурой феррита кальция и стишовита . В самых нижних ~ 200 км мантии бриджманит изохимически переходит в постперовскит.

Способы изучения

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

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

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

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

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

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

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

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.

Химический состав

Общий состав

Состав мантии в процентах по массе
элемент доля связь доля
О 44,8 SiO 2 46,0
Si 21,5
Mg 22,8 MgO 37,8
Fe 5,8 FeO 7,5
Al 2.2 Al 2 O 3 4.2
Приблизительно 2.3 CaO 3.2
N / A 0,3 Na 2 O 0,4
K 0,03 К 2 О 0,04
общее 99,7 общее 99,1

Породы верхней мантии сложены преимущественно ультраосновными породами (в первую очередь перидотитами и пироксенитами ). В основном они содержат оливин или варианты этого минерала, находящиеся под высоким давлением, различные пироксены и другие основные минералы . В диапазоне глубин от 660 до примерно 800 км достигаются условия температуры и давления, при которых эти минералы перестают быть стабильными и, следовательно, превращаются в другие минералы посредством фазовых превращений (см. Раздел « ). Порода мантии обычно показывает более высокую долю железа и магния и более низкую долю кремния и алюминия . Различие между земной корой и мантией Земли по существу основано на этом различном химическом составе. Причиной этого различия являются невежественные процессы : порода мантии частично плавится , при этом компоненты породы, богатые кремнием и алюминием, разжижаются, в частности, из-за их более низкой точки плавления , поднимаются в виде магмы и снова затвердевают на поверхности или относительно близко к ней. Таким образом, сегодняшняя кора и мантия изменились за миллиарды лет.

Мантийные резервуары

Химический состав мантии Земли отнюдь не однороден. Неоднородности, вероятно, возникли во время формирования мантии Земли, так что мы говорим о геохимических резервуарах мантии Земли, причем разные резервуары вскрываются через различные тектонические процессы плит. Определение и интерпретация этих резервуаров иногда весьма спорны:

  • DM или DMM (Depleted Mantle — преимущественно исходный резервуар базальтов срединно-океанических хребтов (MORB)) — мантия, обедненная несовместимыми элементами
  • EM1 (Enriched Mantle 1) — вероятно, повторно обогащенный субдуцированной океанической корой и пелагическими отложениями
  • EM2 (Enriched Mantle 2) — вероятно, обогащен за счет субдукции верхней континентальной коры.
  • HIMU (высокий µ означает высокое отношение 238 U / 204 Pb) — предположительно мантия, измененная субдуцированной океанической корой и метасоматическими процессами ; Возраст субдуцированной коры также может играть роль (доступны разные определения)
  • FOZO (фокусная зона) — доступны разные определения
  • PREMA (преобладающий мантийный резервуар) — преобладающий мантийный резервуар

Температуры кристаллизации оливин-шпинелида 1600 ° C, которые были определены для образцов меловых базальтов из горячей точки Галапагосских островов , которые в настоящее время приросли к континентальной окраине Тихого океана в Центральной Америке , предполагают, что отдельные очень горячие архаические мантийные резервуары сохранились, по крайней мере, до позднего периода. Мезозойский и с плюмами попал в верхнюю мантию.

См. Также : DUPAL аномалии

Метод измерения теплового потока для изучения строения пла­нет

Еще один путь изучения глубинного строения Земли — это изучение ее теплового потока. Известно, что Земля, го­рячая изнутри, отдает свое тепло. О нагреве глубоких гори­зонтов свидетельствуют извержения вулканов, гейзеры, го­рячие источники. Тепло — главный энергетический источник Земли.

Прирост температуры с углублением от поверхно­сти Земли в среднем составляет около 15° С на 1 км. Это значит, что на границе литосферы и астеносферы, располо­женной примерно на глубине 100 км, температура должна быть близкой к 1500° С. Установлено, что при такой темпера­туре происходит плавление базальтов. Это означает, что астеносферная оболочка может служить источником магмы ба­зальтового состава.

С глубиной изменение температуры про­исходит по более сложному закону и находится в зависи­мости от изменения давления. Согласно расчетным данным, на глубине 400 км температура не превышает 1600° С и на границе ядра и мантии оценивается в 2500—5000° С.

Установлено, что выделение тепла происходит постоян­но по всей поверхности планеты. Тепло — важнейший физи­ческий параметр. От степени нагрева горных пород зависят некоторые их свойства: вязкость, электропроводность, магнитность, фазовое состояние. Поэтому по термическому состоянию можно судить о глубинном строении Земли.

Изме­рение температуры нашей планеты на большой глубине — задача технически сложная, так как измерениям доступны лишь первые километры земной коры. Однако внутренняя температура Земли может быть изучена косвенным путем при измерениях теплового потока.

Несмотря на то, что основным источ­ником тепла на Земле является Солнце, суммарная мощность теплового потока нашей планеты превышает в 30 раз мощность всех электростанций Земли.

Измерения показали, что средний тепловой поток на кон­тинентах и в океанах одинаков. Этот результат объясняется тем, что в океанах большая часть тепла (до 90%) поступает из мантии, где интенсивнее происходит процесс переноса вещества движущимися потоками — конвекцией.

Внутренняя температура Земли. Чем ближе к ядру, тем больше наша планета походит на Солнце!

Конвек­ция — процесс, при котором разогретая жидкость расширяет­ся, становясь легче, и поднимается, а более холодные слои опускаются. Поскольку мантийное вещество ближе по сво­ему состоянию к твердому телу, конвекция в нем протека­ет в особых условиях, при невысоких скоростях течения ма­териала.

Какова же тепловая история нашей планеты? Ее пер­воначальный разогрев, вероятно, связан с теплом, образован­ным при соударении частиц и их уплотнении в собственном поле силы тяжести. Затем тепло явилось результатом радио­активного распада. Под воздействием тепла возникла слои­стая структура Земли и планет земной группы.

Радиоактив­ное тепло в Земле выделяется и сейчас. Существует гипоте­за, согласно которой на границе расплавленного ядра Земли продолжаются и поныне процессы расщепления вещества с выделением огромного количества тепловой энергии, разо­гревающей мантию.

Список источников литературы

Состав

Химический состав мантии трудно определить с высокой степенью уверенности, потому что он в значительной степени недоступен. Редкие обнажения мантийных пород происходят в офиолитах , где участки океанической литосферы были зафиксированы на континенте. Породы мантии также отбираются в виде ксенолитов в базальтах или кимберлитах .

Состав верхней мантии Земли (истощенный MORB )
Сложный Массовый процент
SiO 2 44,71
Al 2 O 3 3,98
FeO 8,18
MnO 0,13
MgO 38,73
CaO 3,17
Na 2 O 0,13
Cr 2 O 3 0,57
TiO 2 0,13
NiO 0,24
К 2 О 0,006
P 2 O 5 0,019

Большинство оценок состава мантии основано на породах, которые пробуют только самые верхние слои мантии. Ведутся споры о том, имеет ли остальная часть мантии, особенно ее нижняя, такой же объемный состав. Состав мантии изменился на протяжении истории Земли из-за извлечения магмы, которая затвердела, образуя океаническую кору и континентальную кору.

В исследовании 2018 года также было высказано предположение, что в мантии может образоваться экзотическая форма воды, известная как лед VII, когда алмазы, содержащие пузырьки воды под давлением, движутся вверх, охлаждая воду до условий, необходимых для образования льда VII.