Съотношение на понятията "земна кора", "литосфера", "тектоносфера". Земната мантия, нейната структура, температура и дебелина.Земна мантия и ядро

Д.Ю. Пущаровски, Ю.М. Пущаровски (MSU на името на M.V. Lomonosov)

Съставът и структурата на дълбоките черупки на Земята през последните десетилетия продължават да остават един от най-интригуващите проблеми на съвременната геология. Броят на преките данни за веществото на дълбоките зони е много ограничен. В това отношение специално място заема минерален агрегат от кимберлитовата тръба на Лесото (Южна Африка), който се счита за представител на мантийните скали, намиращи се на дълбочина ~250 km. Ядро, извлечено от най-дълбокия сондаж в света Колски полуострови достигна 12 262 m, значително разшири научното разбиране за дълбоките хоризонти на земната кора - тънкия приповърхностен филм на земното кълбо. В същото време най-новите данни от геофизиката и експериментите, свързани с изучаването на структурните трансформации на минералите, вече позволяват да се симулират много характеристики на структурата, състава и процесите, протичащи в дълбините на Земята, познаването на които допринася за решение на такива ключови проблеми съвременна естествена наука, като формирането и еволюцията на планетата, динамиката на земната кора и мантията, източници на минерални ресурси, оценка на риска от изхвърляне на опасни отпадъци на голяма дълбочина, енергийните ресурси на Земята и др.

Сеизмичен модел на структурата на Земята

Широко известен модел на вътрешната структура на Земята (разделяйки я на ядро, мантия и кора) е разработен от сеизмолозите Г. Джефрис и Б. Гутенберг през първата половина на 20 век. Решаващият фактор в този случай беше откритието за рязко намаляване на скоростта на преминаване на сеизмичните вълни вътре в земното кълбо на дълбочина 2900 km с планетарен радиус 6371 km. Скоростта на преминаване на надлъжни сеизмични вълни непосредствено над посочената граница е 13,6 km/s, а под нея е 8,1 km/s. Това е, което е граница мантия-ядро.

Съответно радиусът на ядрото е 3471 км. Горната граница на мантията е сеизмичният участък на Мохоровичик ( Мохо, M), идентифициран от югославския сеизмолог А. Мохоровичич (1857-1936) през 1909 г. Той разделя земната кора от мантията. В този момент скоростите на надлъжните вълни, преминаващи през земната кора, рязко нарастват от 6,7-7,6 до 7,9-8,2 km/s, но това се случва на различни нива на дълбочина. Под континентите дълбочината на участък М (т.е. основата на земната кора) е няколко десетки километра, а под някои планински структури (Памир, Андите) може да достигне 60 км, докато под океанските басейни, включително водата колона, дълбочината е само 10-12 км. Общо взето земната корана тази диаграма тя изглежда като тънка обвивка, докато мантията се простира в дълбочина до 45% от радиуса на Земята.

Но в средата на 20-ти век идеите за по-подробната дълбока структура на Земята навлязоха в науката. Въз основа на нови сеизмологични данни се оказа възможно ядрото да се раздели на вътрешно и външно, а мантията на долна и горна (фиг. 1). Този модел, който стана широко разпространен, се използва и до днес. Началото му е поставено от австралийския сеизмолог К.Е. Булен, който в началото на 40-те години предлага схема за разделяне на Земята на зони, които той обозначава с букви: А - земната кора, Б - зона в диапазона на дълбочината от 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, D - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (център на Земята). Тези зони се различават по сеизмични характеристики. По-късно той разделя зона D на зони D" (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). Понастоящем тази схема е значително модифицирана и само слой D" се използва широко в литературата основна характеристика- намаляване на градиентите на сеизмичната скорост в сравнение с горния регион на мантията.

Ориз. 1. Диаграма на дълбинната структура на Земята

Колкото повече сеизмологични изследвания се извършват, толкова повече сеизмични граници се появяват. За глобални се считат границите от 410, 520, 670, 2900 km, където нарастването на скоростите на сеизмичните вълни е особено забележимо. Наред с тях се определят и междинни граници: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 km. Освен това има индикации от геофизици за съществуването на граници от 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.И. Павленкова наскоро идентифицира граница 100 като глобална граница, съответстваща на долното ниво на разделяне на горната мантия на блокове. Междинните граници имат различно пространствено разпределение, което показва страничната променливост на физичните свойства на мантията, от които те зависят. Глобалните граници представляват различна категория явления. Те съответстват на глобалните промени в околната среда на мантията по радиуса на Земята.

Маркираните глобални сеизмични граници се използват при изграждането на геоложки и геодинамични модели, докато междинните в този смисъл досега почти не са привличали внимание. Междувременно различията в мащаба и интензивността на тяхното проявление създават емпирична основа за хипотези относно явления и процеси в дълбините на планетата.

По-долу ще разгледаме как геофизичните граници са свързани с наскоро получените резултати от структурни промени в минералите под въздействието на високи налягания и температури, чиито стойности съответстват на условията на земните дълбини.

Проблемът за състава, структурата и минералните асоциации на дълбоките земни черупки или геосфери, разбира се, все още е далеч от окончателното решение, но новите експериментални резултати и идеи значително разширяват и детайлизират съответните идеи.

Според съвременните възгледи съставът на мантията е доминиран от сравнително малка група химични елементи: Si, Mg, Fe, Al, Ca и O. Предложено модели на геосферния съставосновно въз основа на разликите в съотношенията на тези елементи (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2P1,9), както и разликите в съдържанието на Al и някои други елементи, които са по-редки за дълбоките скали. В съответствие с химичния и минералогичен състав тези модели са получили имената си: пиролит(основни минерали са оливин, пироксени и гранат в съотношение 4:2:1), пилогитичен(основните минерали са пироксен и гранат, а делът на оливин намалява до 40%) и еклогит, в който наред с асоциацията пироксен-гранат, характерна за еклогитите, има и някои по-редки минерали, по-специално Al-съдържащ кианит Al2SiO5 (до 10 тегл.%). Всички тези петрологични модели обаче се отнасят предимно до скали на горната мантия, простираща се до дълбочини от ~670 km. По отношение на обемния състав на по-дълбоките геосфери се приема само, че съотношението на оксиди на двувалентни елементи (MO) към силициев диоксид (MO/SiO2) е ~ 2, което е по-близо до оливин (Mg, Fe)2SiO4, отколкото до пироксен ( Mg, Fe)SiO3 и Минералите са доминирани от перовскитни фази (Mg, Fe)SiO3 с различни структурни изкривявания, магнезиовюстит (Mg, Fe)O със структура от тип NaCl и някои други фази в много по-малки количества.

Д.Ю. Пущаровски, Ю.М. Пущаровски (MSU на името на M.V. Lomonosov)

Съставът и структурата на дълбоките черупки на Земята през последните десетилетия продължават да остават един от най-интригуващите проблеми на съвременната геология. Броят на преките данни за веществото на дълбоките зони е много ограничен. В това отношение специално място заема минерален агрегат от кимберлитовата тръба на Лесото (Южна Африка), който се счита за представител на мантийните скали, намиращи се на дълбочина ~250 km. Ядрото, извлечено от най-дълбокия кладенец в света, пробит на полуостров Кола и достигащ ниво от 12 262 m, значително разшири научните представи за дълбоките хоризонти на земната кора - тънкия приповърхностен филм на земното кълбо. В същото време най-новите данни от геофизиката и експериментите, свързани с изследването на структурните трансформации на минералите, вече позволяват да се симулират много характеристики на структурата, състава и процесите, протичащи в дълбините на Земята, познаването на които допринася за решаването на такива ключови проблеми на съвременната естествена наука като формирането и еволюцията на планетата, динамиката на земната кора и мантията, източниците на минерални ресурси, оценката на риска от погребване на опасни отпадъци на големи дълбочини, енергийните ресурси на Земята и др.

Сеизмичен модел на структурата на Земята

Съответно радиусът на ядрото е 3471 км. Горната граница на мантията е сеизмичният участък на Мохоровичик ( Мохо, M), идентифициран от югославския сеизмолог А. Мохоровичич (1857-1936) през 1909 г. Той разделя земната кора от мантията. В този момент скоростите на надлъжните вълни, преминаващи през земната кора, рязко нарастват от 6,7-7,6 до 7,9-8,2 km/s, но това се случва на различни нива на дълбочина. Под континентите дълбочината на участък М (т.е. основата на земната кора) е няколко десетки километра, а под някои планински структури (Памир, Андите) може да достигне 60 км, докато под океанските басейни, включително водата колона, дълбочината е само 10-12 км. Като цяло земната кора в тази схема изглежда като тънка обвивка, докато мантията се простира в дълбочина до 45% от радиуса на земята.

Но в средата на 20-ти век идеите за по-подробната дълбока структура на Земята навлязоха в науката. Въз основа на нови сеизмологични данни се оказа възможно ядрото да се раздели на вътрешно и външно, а мантията на долна и горна (фиг. 1). Този модел, който стана широко разпространен, се използва и до днес. Началото му е поставено от австралийския сеизмолог К.Е. Булен, който в началото на 40-те години предлага схема за разделяне на Земята на зони, които той обозначава с букви: А - земната кора, Б - зона в диапазона на дълбочината от 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, D - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (център на Земята). Тези зони се различават по сеизмични характеристики. По-късно той разделя зона D на зони D" (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). Понастоящем тази схема е значително модифицирана и само слой D" се използва широко в литературата. Основната му характеристика е намаляване на градиентите на сеизмичната скорост в сравнение с надлежащата област на мантията.

Ориз. 1. Диаграма на дълбинната структура на Земята

Всички предложени модели са много общи и хипотетични. Доминираният от оливин пиролитен модел на горната мантия предполага, че тя е много по-сходна по химичен състав с цялата по-дълбока мантия. Напротив, моделът на пилогита предполага съществуването на определен химичен контраст между горната и останалата част на мантията. По-специфичен еклогитов модел позволява наличието на отделни еклогитни лещи и блокове в горната мантия.

От голям интерес е опитът да се съчетаят структурните, минералогичните и геофизичните данни, свързани с горната мантия. От около 20 години се приема, че увеличаването на скоростите на сеизмичните вълни на дълбочина ~410 km е свързано предимно със структурната трансформация на оливин a-(Mg, Fe)2SiO4 в вадслиит b-(Mg, Fe)2SiO4 , съпроводено с образуването на по-плътна фаза с по-високи стойности на коефициента на еластичност. Според геофизичните данни на такива дълбочини във вътрешността на Земята скоростите на сеизмичните вълни се увеличават с 3-5%, докато структурната трансформация на оливин в вадслиит (в съответствие със стойностите на техните еластични модули) трябва да бъде придружена от увеличение в скоростите на сеизмичните вълни с приблизително 13%. В същото време резултатите от експерименталните изследвания на оливин и оливин-пироксенови смеси при високи температури и налягания показаха пълно съвпадение на изчисленото и експерименталното увеличение на скоростите на сеизмичните вълни в диапазона на дълбочина 200-400 km. Тъй като оливинът има приблизително същата еластичност като моноклинните пироксени с висока плътност, тези данни биха показали липсата на силно еластичен гранат в подлежащата зона, присъствието на който в мантията неизбежно би причинило по-значително увеличение на скоростите на сеизмичните вълни. Въпреки това, тези идеи за мантията без гранат са в конфликт с петрологичните модели на нейния състав.

Таблица 1. Минерален състав на пиролит (според L. Liu, 1979)

Така възниква идеята, че скокът в скоростите на сеизмичните вълни на дълбочина 410 km е свързан главно със структурното пренареждане на пироксенови гранати в обогатените с Na части на горната мантия. Този модел предполага почти пълна липса на конвекция в горната мантия, което противоречи на съвременните геодинамични концепции. Преодоляването на тези противоречия може да се свърже с наскоро предложения по-пълен модел на горната мантия, който позволява включването на железни и водородни атоми в структурата на wadsleyite.

Ориз. 2. Промяна в обемните пропорции на пиролитните минерали с увеличаване на налягането (дълбочина), според М. Акаоги (1997). Легендаминерали: Ol - оливин, Gar - гранат, Cpx - моноклинни пироксени, Opx - орторомбични пироксени, MS - “модифициран шпинел”, или вадслейит (b-(Mg, Fe)2SiO4), Sp - шпинел, Mj - мажорит Mg3 (Fe , Al, Si)2(SiO4)3, Mw - магнезиовюстит (Mg, Fe)O, Mg-Pv-Mg-перовскит, Ca-Pv-Ca-перовскит, X - предполагаеми Al-съдържащи компресивни фази със структури като илменит , Ca-ферит и/или холандит

Докато полиморфният преход на оливин към вадслейит не е придружен от промяна химичен състав, в присъствието на гранат възниква реакция, водеща до образуването на вадслейит, обогатен на Fe в сравнение с оригиналния оливин. Освен това вадслиитът може да съдържа значително повече водородни атоми в сравнение с оливина. Участието на Fe и H атоми в структурата на wadsleyite води до намаляване на неговата твърдост и съответно до намаляване на скоростта на разпространение на сеизмичните вълни, преминаващи през този минерал.

В допълнение, образуването на обогатен с Fe вадслейит предполага участието на повече оливин в съответната реакция, която трябва да бъде придружена от промяна в химичния състав на скалите близо до секция 410. Идеите за тези трансформации се потвърждават от съвременни глобални сеизмични данни . Като цяло минералогичният състав на тази част от горната мантия изглежда повече или по-малко ясен. Ако говорим за пиролитната минерална асоциация (Таблица 1), тогава нейната трансформация до дълбочини от ~ 800 km е проучена достатъчно подробно и е обобщена на фиг. 2. В този случай глобалната сеизмична граница на дълбочина 520 km съответства на преструктурирането на b-(Mg, Fe)2SiO4 вадслейит в рингвудит - g-модификацията на (Mg, Fe)2SiO4 със структура на шпинел. Трансформацията на пироксен (Mg, Fe)SiO3 гранат Mg3(Fe, Al, Si)2Si3O12 се случва в горната мантия в по-широк диапазон на дълбочина. Така цялата относително хомогенна обвивка в диапазона от 400-600 km на горната мантия съдържа основно фази със структурни типове гранат и шпинел.

Всички предложени понастоящем модели за състава на мантийните скали предполагат, че те съдържат Al2O3 в количество ~4 тегл. %, което се отразява и на спецификата на структурните трансформации. Отбелязва се, че в определени области на разнородната по състав горна мантия Al може да се концентрира в минерали като корунд Al2O3 или кианит Al2SiO5, които при налягания и температури, съответстващи на дълбочини от ~450 km, се трансформират в корунд и стишовит - a модификация на SiO2, структура, която съдържа рамка от SiO6 октаедри. И двата минерала са запазени не само в долната горна мантия, но и по-дълбоко.

Най-важният компонент на химичния състав на зоната 400-670 км е водата, чието съдържание според някои оценки е ~0,1 тегл. % и чието присъствие се свързва предимно с Mg-силикати. Количеството вода, съхранявано в тази черупка, е толкова значително, че на повърхността на Земята би образувало слой с дебелина 800 m.

Състав на мантията под границата на 670 км

Изследвания на структурни преходи на минерали, извършени през последните две до три десетилетия с помощта на рентгенови камери с високо налягане, направиха възможно моделирането на някои характеристики на състава и структурата на геосферите по-дълбоко от границата от 670 km. В тези експерименти изследваният кристал се поставя между две диамантени пирамиди (наковални), компресията на които създава налягане, сравнимо с налягането вътре в мантията и земното ядро. Все още обаче остават много въпроси относно тази част от мантията, която представлява повече от половината от вътрешността на Земята. В момента повечето изследователи са съгласни с идеята, че цялата тази дълбока (по-ниска в традиционния смисъл) мантия се състои главно от перовскитоподобна фаза (Mg,Fe)SiO3, която представлява около 70% от нейния обем (40% от обема на цялата Земя) и магнезиовюстит (Mg, Fe)O (~20%). Останалите 10% се състоят от стишовитни и оксидни фази, съдържащи Ca, Na, K, Al и Fe, чиято кристализация е разрешена в структурните типове илменит-корунд (твърд разтвор (Mg, Fe)SiO3-Al2O3), кубичен перовскит (CaSiO3) и Ca-ферит (NaAlSiO4). Образуването на тези съединения е свързано с различни структурни трансформации минерали от горната мантия. В този случай една от основните минерални фази на относително хомогенна обвивка, разположена в диапазона на дълбочина от 410-670 km, шпинелиден рингвудит, се трансформира в асоциация на (Mg, Fe)-перовскит и Mg-wüstite на граница от 670 km, където налягането е ~24 GPa. Друг важен компонент на преходната зона, представител на семейството на гранатите, пиропът Mg3Al2Si3O12, претърпява трансформация с образуването на орторомбичен перовскит (Mg, Fe)SiO3 и твърд разтвор на корунд-илменит (Mg, Fe)SiO3 - Al2O3 при малко по-високо налягане. Този преход е свързан с промяна в скоростите на сеизмичните вълни на границата от 850-900 km, съответстваща на една от междинните сеизмични граници. Трансформацията на Ca-гранат андрадит при по-ниски налягания ~21 GPa води до образуването на друг важен компонент на долната мантия, споменат по-горе - кубичен Ca-перовскит CaSiO3. Полярното съотношение между основните минерали в тази зона (Mg,Fe)-перовскит (Mg,Fe)SiO3 и Mg-вюстит (Mg,Fe)O варира в доста широки граници и на дълбочина ~1170 km при налягане от ~29 GPa и температури от 2000- 2800 0C варират от 2:1 до 3:1.

Изключителната стабилност на MgSiO3 със структура от орторомбичен тип перовскит в широк диапазон от налягания, съответстващи на дълбочините на долната мантия, ни позволява да го считаме за един от основните компоненти на тази геосфера. Основа за това заключение бяха експерименти, при които проби от Mg-перовскит MgSiO3 бяха подложени на налягане, 1,3 милиона пъти по-високо от атмосферното налягане, като в същото време пробата, поставена между диамантени наковални, беше изложена на лазерен лъч с температура от около 2000 0C.

По този начин ние симулирахме условията, съществуващи на дълбочини от ~ 2800 km, тоест близо до долната граница на долната мантия. Оказало се, че нито по време на експеримента, нито след него минералът не е променил своята структура и състав. Така L. Liu, както и E. Nittle и E. Jeanloz стигнаха до извода, че стабилността на Mg-перовскит позволява да се счита за най-разпространения минерал на Земята, очевидно съставляващ почти половината от неговата маса.

Wustite FexO е не по-малко стабилен, чийто състав в условията на долната мантия се характеризира със стойността на стехиометричния коефициент x< 0,98, что означает одновременное присутствие в его составе Fe2+ и Fe3+. 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 0С, предполагаемой для этого уровня (при средних температурах мантии ~2500 0С в основании нижней мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300 0С). 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.

Трябва да се отбележи, че перовскитоподобните фази, които преобладават на големи дълбочини, могат да съдържат много ограничено количество Fe, а повишените концентрации на Fe сред минералите на дълбоката асоциация са характерни само за магнезиовюстит. В същото време, за magnesiowüstite, възможността за преминаване под въздействието на високи налягания на част от съдържащото се в него двувалентно желязо в тривалентно желязо, оставащо в структурата на минерала, с едновременното освобождаване на съответното количество неутрално желязо , е доказано. Въз основа на тези данни служителите на геофизичната лаборатория на института Карнеги Х. Мао, П. Бел и Т. Яги излагат нови идеи за диференциацията на материята в дълбините на Земята. На първия етап, поради гравитационна нестабилност, магнезиовюститът потъва на дълбочина, където под въздействието на налягане част от желязото в неутрална форма се освобождава от него. Остатъчен магнезиовюстит, характеризиращ се с по-ниска плътност, се издига до горните слоеве, където отново се смесва с перовскитоподобни фази. Контактът с тях е придружен от възстановяване на стехиометрията (т.е. цялостното съотношение на елементите в химичната формула) на магнезиовюстита и води до възможността за повторение на описания процес. Новите данни ни позволяват донякъде да разширим набора от химически елементи, вероятни за дълбоката мантия. Например, стабилността на магнезита при налягания, съответстващи на дълбочини от ~900 km, обоснована от N. Ross (1997), показва възможното наличие на въглерод в неговия състав.

Идентифицирането на отделни междинни сеизмични граници, разположени под линията 670, корелира с данни за структурни трансформации минерали на мантията, чиито форми могат да бъдат много разнообразни. Илюстрация на промените в много свойства на различни кристали при високи стойности на физикохимичните параметри, съответстващи на дълбоката мантия, може да бъде, според R. Jeanloz и R. Hazen, преструктурирането на йонно-ковалентните връзки на вюстит, регистрирано по време на експерименти при налягане от 70 гигапаскала (GPa) (~1700 km) поради металния тип междуатомни взаимодействия. Знакът 1200 може да съответства на трансформацията на SiO2 със структурата на стишовит в структурния тип CaCl2 (орторомбичен аналог на рутил TiO2), прогнозиран на базата на теоретични квантово-механични изчисления и впоследствие моделиран при налягане от ~45 GPa и температура от ~2000 0C, и 2000 km - до последващото му превръщане във фаза със структура, междинна между a-PbO2 и ZrO2, характеризираща се с по-плътна опаковка на силициево-кислородни октаедри (данни от L.S. Dubrovinsky et al.). Също така, като се започне от тези дълбочини (~ 2000 km) при налягания от 80-90 GPa, е разрешено разлагането на перовскитоподобен MgSiO3, придружено от увеличаване на съдържанието на периклаз MgO и свободен силициев диоксид. При малко по-високо налягане (~96 GPa) и температура от 800 0C се установява проявата на политипия в FeO, свързана с образуването на структурни фрагменти като никел NiAs, редуващи се с антиникелови домени, в които са Fe атоми разположени в позициите на атомите As, а атомите O са в позициите на атомите Ni. Близо до D границата настъпва трансформацията на Al2O3 с корундовата структура във фаза със структурата на Rh2O3, експериментално моделирана при налягания от ~100 GPa, тоест на дълбочина от ~2200-2300 km.Използвайки метода на Mössbauer спектроскопия при при същото налягане е обоснован преходът от високоспиново (HS) към нискоспиново състояние (LS) на Fe атоми в структурата на магнезиовюстит, т.е. промяна в тяхната електронна структура. В тази връзка трябва да се подчертае, че структурата на вюстита FeO при високо кръвно наляганехарактеризиращ се с нестехиометрия на състава, дефекти на атомното опаковане, политипия, както и промяна в магнитното подреждане, свързана с промяна в електронната структура (HS => LS - преход) на Fe атоми. Отбелязаните характеристики ни позволяват да считаме вюстита за един от най-сложните минерали с необичайни свойства, които определят спецификата на дълбоките зони на Земята, обогатени с него близо до границата D."

Ориз. 3. Тетрагонална структура на Fe7S възможен компонент на вътрешното (твърдо) ядро, според D.M. на Шърман (1997)

Сеизмологичните измервания показват, че както вътрешното (твърдо), така и външното (течно) ядро на Земята се характеризират с по-ниска плътност в сравнение със стойността, получена въз основа на модел на ядро, състоящо се само от метално желязо при същите физикохимични параметри. Повечето изследователи свързват това намаляване на плътността с наличието в ядрото на елементи като Si, O, S и дори O, които образуват сплави с желязото. Сред вероятните фази за такива „фаустовски” физикохимични условия (налягане ~250 GPa и температура 4000-6500 0C) са Fe3S с добре известния структурен тип Cu3Au и Fe7S, чиято структура е показана на фиг. 3. Друга очаквана фаза в ядрото е b-Fe, чиято структура се характеризира с четирислойна плътна опаковка на Fe атоми. Точката на топене на тази фаза се оценява на 5000 0C при налягане 360 GPa. Наличието на водород в ядрото отдавна е предмет на дебат поради ниската му разтворимост в желязо при атмосферно налягане. Въпреки това, скорошни експерименти (данни от J. Bedding, H. Mao и R. Hamley (1992)) установиха, че железен хидрид FeH може да се образува при високи температури и налягания и е стабилен при налягания над 62 GPa, което съответства на дълбочини от ~ 1600 km. В тази връзка наличието на значителни количества (до 40 mol.%) водородв ядрото е доста приемливо и намалява плътността му до стойности, съответстващи на сеизмологичните данни.

Може да се предвиди, че новите данни за структурни промени в минералните фази на големи дълбочини ще направят възможно намирането на адекватна интерпретация на други важни геофизични граници, записани във вътрешността на Земята. Общото заключение е, че при такива глобални сеизмични граници като 410 и 670 км настъпват значителни промени в минералния състав мантийни скали. Минерални трансформации се наблюдават и на дълбочини ~850, 1200, 1700, 2000 и 2200-2300 км, т.е. в долната мантия. Това е много важно обстоятелство, което ни позволява да се откажем от идеята за неговата хомогенна структура.

До 80-те години на 20 век сеизмологичните изследвания, използващи методите на надлъжни и напречни сеизмични вълни, способни да проникнат през целия обем на Земята и поради това наречени обемни, за разлика от повърхностните, разпределени само върху нейната повърхност, се оказаха са толкова значими, че са направили възможно изготвянето на карти на сеизмични аномалии за различни нива на планетата. Фундаменталната работа в тази област е извършена от американския сеизмолог А. Дзевонски и неговите колеги.

На фиг. 4 показва примери на подобни карти от поредица, публикувана през 1994 г., въпреки че първите публикации се появяват 10 години по-рано. Работата представя 12 карти за дълбоки участъци на Земята в диапазона от 50 до 2850 km, т.е. практически покрива цялата мантия. На тези най-интересните картиЛесно е да се види, че сеизмичният модел на различни нива на дълбочина е различен. Това се вижда от площите и контурите на разпространение сеизмични аномални зони, особеностите на преходите между тях и като цяло общия вид на картите. Някои от тях се отличават с голямо разнообразие и контраст в разпределението на зони с различни скорости на сеизмичните вълни (фиг. 5), а други показват по-плавни и прости връзки между тях.

През същата 1994 г. е публикуван подобна работаяпонски геофизици. Съдържа 14 карти за нива от 78 до 2900 км. И двете серии от карти ясно показват тихоокеанската хетерогенност, която, въпреки че променя очертанията си, може да бъде проследена чак до земното ядро. Отвъд тази голяма хетерогенност, сеизмичната картина става по-сложна, променяйки се значително при преминаване от едно ниво на друго. Но колкото и значителна да е разликата между тези карти, между някои от тях има прилики. Те се изразяват в известно сходство в пространственото разпределение на положителните и отрицателните сеизмични аномалии и в крайна сметка в общите черти на дълбинната сеизмична структура. Това прави възможно групирането на такива карти, което прави възможно идентифицирането на интрамантийни черупки с различен сеизмичен вид. И такава работа беше свършена. Въз основа на анализа на картите на японските геофизици се оказа възможно да се предложи значително по-подробна структурата на земната мантия, показано на фиг. 5, в сравнение с традиционния модел на земните черупки.

Принципно нови са две разпоредби:

Как предложените граници на дълбоките геосфери се сравняват със сеизмичните граници, изолирани преди това от сеизмолозите? Сравнението показва, че долната граница на средната мантия корелира с марката 1700, глобалното значение на което се подчертава в работата. Горната му граница приблизително съответства на 800-900. Това се отнася за горната мантия, но тук няма разминавания: нейната долна граница е представена от линията 670, а горната от линията на Мохоровичич. Нека обърнем специално внимание на неопределеността на горната граница на долната мантия. В процеса на по-нататъшни изследвания може да се окаже, че наскоро планираните сеизмични граници от 1900 и 2000 г. ще позволят да се направят корекции на неговата мощност. По този начин резултатите от сравнението показват валидността на предложения нов модел на структурата на мантията.

Заключение

Изследването на дълбоката структура на Земята е една от най-големите и най-важните области на геоложките науки. Нов стратификация на мантиятаЗемята ни позволява да подходим към сложния проблем на дълбоката геодинамика много по-малко схематично, отколкото преди. Разликата в сеизмичните характеристики на земните черупки ( геосфери), отразявайки разликата в техните физични свойстваи минерален състав, създава възможности за моделиране на геодинамични процеси във всяка от тях поотделно. Геосферите в този смисъл, както вече е напълно ясно, имат известна автономия. Тази изключително важна тема обаче е извън обхвата на тази статия. Много по-обосновани конструкции относно състава, структурата, геодинамиката и еволюцията на Земята като цяло ще зависят от по-нататъшното развитие на сеизмичната томография, както и някои други геофизични изследвания, както и изучаването на минералния и химичния състав на дълбочини.

Библиография

Геовремена. 1994. Vol. 39, N 6. С. 13-15.

Рос А. Преработената мантия на Земята // Природа. 1997. Vol. 385, N 6616. P. 490.

Томпсън А.Б. Вода в горната мантия на Земята // Природа. 1992. Vol. 358, N 6384. P. 295-302.

Пушчаровски Д.Ю. Дълбоките минерали на Земята // Природа. 1980. N 11. С. 119-120.

Su W., Woodward R.L., Dziewonski A.M. Модел на степен 12 на хетерогенност на скоростта на срязване в мантията // J. Geophys. Рез. 1994. Vol. 99, N B4. P. 6945-6980.

J. Geol. Soc. Япония. 1994. Vol. 100, N 1. P. VI-VII.

Пушчаровски Ю.М. Сеизмична томография и структура на мантията: Тектонска перспектива // Доклади на Академията на науките. 1996. Т. 351, N 6. С. 805-809.

Много хора знаят, че планетата Земя в сеизмичен (тектоничен) смисъл се състои от ядро, мантия и литосфера (кора). Ще разгледаме какво е мантия. Това е слой или междинна обвивка, която се намира между ядрото и кората. Мантията съставлява 83% от обема на планетата Земя. Ако вземем теглото, тогава 67% от Земята е мантията.

Два слоя мантия

Дори в началото на ХХ век се смяташе общоприето, че мантията е хомогенна, но към средата на века учените стигнаха до извода, че тя се състои от два слоя. Най-близкият до ядрото слой е долната мантия. Слоят, който граничи с литосферата, е горната мантия. Горната мантия се простира на приблизително 600 километра дълбоко в Земята. Долната граница на долната мантия се намира на дълбочина до 2900 километра.

От какво се състои мантията?

Учените все още не са успели да се доближат до мантията. Все още никакви сондажи не са ни позволили да се доближим до него. Следователно всички изследвания се извършват не експериментално, а теоретично и косвено. Учените правят изводите си за земната мантия предимно въз основа на геофизични изследвания. Взети са предвид електропроводимостта, сеизмичните вълни, скоростта на разпространение и силата им.

Японски учени обявиха намеренията си да се доближат до земната мантия чрез сондиране в океански скали, но засега плановете им все още не са осъществени. На дъното на океана вече са открити някои места, където слоят на земната кора е най-тънък, тоест до горната част на мантията ще има само около 3000 км за пробиване. Трудността се състои в това, че сондажите трябва да се извършват на дъното на океана и в същото време сондажът ще трябва да премине през зони със свръхздрави скали и това може да се сравни с опита на опашката на нишка да пробийте стените на напръстник. Разбира се, възможността да се изследват скални проби, взети директно от мантията, би дала по-точна представа за нейната структура и състав.

Диаманти и перидоти

Информативни са и мантийните скали, които в резултат на различни геофизични и сеизмични процеси попадат на земната повърхност. Например скалите на мантията включват диаманти. Някои от тях, предполагат изследователите, се издигат от долната мантия. Най-често срещаните породи са перидоти. Те често се освобождават в лава от вулканични изригвания. Изследването на скалите на мантията позволява на учените да говорят с определена точност за състава и основните характеристики на мантията.

Течно състояние и вода

Мантията се състои от силикатни скали, които са наситени с магнезий и желязо. Всички вещества, които изграждат мантията, са нажежени. разтопено, течно състояние, тъй като температурата на този слой е доста висока - до две хиляди и половина градуса. Водата също е част от мантията на Земята. В количествено отношение има 12 пъти повече от него, отколкото в световния океан. Запасът от вода в мантията е такъв, че ако се пръсне върху повърхността на земята, водата ще се издигне над повърхността с 800 метра.

Процеси в мантията

Границата на мантията не е права линия. Напротив, на някои места, например в района на Алпите, на дъното на океаните, мантията, тоест скалите, свързани с мантията, се приближават доста близо до повърхността на Земята. Това са физическите и химичните процеси, които се случват в мантията, които влияят върху това, което се случва в земната кора и на земната повърхност. Говорим за образуването на планини, океани и движението на континентите.

Мантията съдържа по-голямата част от материята на Земята. Мантия има и на други планети. Мантията на Земята варира от 30 до 2900 km.

В неговите граници по сеизмични данни се разграничават: горен мантиен слой INдълбочина до 400 км и СЪСдо 800-1000 км (някои изследователи слой СЪСнаречена средна мантия); долен мантиен слой D предидълбочина 2700 с преходен слой D1от 2700 до 2900 км.

Границата между земната кора и мантията е границата на Мохоровичич или накратко Мохо. Има рязко увеличение на сеизмичните скорости - от 7 до 8-8,2 km/s. Тази граница се намира на дълбочина от 7 (под океаните) до 70 километра (под гънките). Мантията на Земята е разделена на горна мантия и долна мантия. Границата между тези геосфери е слоят Голицин, разположен на дълбочина около 670 km.

Устройството на Земята според различни изследователи

Разликата в състава на земната кора и мантията е следствие от техния произход: първоначално хомогенната Земя в резултат на частично топене се е разделила на нискотопима и лека част - кора и плътна и огнеупорна мантия.

Източници на информация за мантията

Мантията на Земята е недостъпна за пряко изследване: тя не достига земната повърхност и не се достига чрез дълбоки сондажи. Следователно по-голямата част от информацията за мантията е получена чрез геохимични и геофизични методи. Данните за неговата геоложка структура са много ограничени.

Мантията се изследва по следните данни:

Геофизични данни. На първо място, данни за скоростите на сеизмичните вълни, електрическата проводимост и гравитацията.
Мантийни стопи - базалти, коматиити, кимберлити, лампроити, карбонатити и някои други магмени скали се образуват в резултат на частичното топене на мантията. Съставът на стопилката е следствие от състава на разтопените скали, интервала на топене и физикохимичните параметри на процеса на топене. Като цяло реконструирането на източник от стопилка е трудна задача.
Фрагменти от мантийни скали, изнесени на повърхността от мантийни стопилки - кимберлити, алкални базалти и др. Това са ксенолити, ксенокристи и диаманти. Диамантите заемат специално място сред източниците на информация за мантията. Именно в диамантите се намират най-дълбоките минерали, които дори може да произхождат от долната мантия. В този случай тези диаманти представляват най-дълбоките фрагменти от земята, достъпни за директно изследване.
Скали на мантията в земната кора. Такива комплекси най-много съответстват на мантията, но също така се различават от нея. Най-важната разлика е в самия факт на тяхното присъствие в земната кора, от което следва, че те са се образували в резултат на необичайни процеси и може би не отразяват типичната мантия. Те се намират в следните геодинамични настройки:

Алпинотипните хипербазити са части от мантията, вградени в земната кора в резултат на планинско изграждане. Най-разпространен в Алпите, откъдето идва и името.
Офиолитните хиперосновни скали са предотити като част от офиолитни комплекси – части от древната океанска кора.
Абисалните перидотити са разкрития на скали на мантията на дъното на океани или разриви.

Тези комплекси имат предимството, че в тях могат да се наблюдават геоложки връзки между различни скали.

Наскоро беше обявено, че японски изследователи планират опит да пробият океанската кора до мантията. За целта е построен корабът Chikyu. Планира се сондирането да започне през 2007 г.

Основният недостатък на информацията, получена от тези фрагменти, е невъзможността да се установят геоложки връзки между различни видове скали. Това са части от пъзела. Както казва класикът, „определянето на състава на мантията от ксенолитите напомня на опитите да се определи геоложката структура на планините от камъчетата, които реката е изнесла от тях.“

Състав на мантията

Мантията е изградена главно от ултрабазични скали: перидотити (лерцолити, харцбургити, верлити, пироксенити), дунити и в по-малка степен основни скали - еклогити.

Също така сред скалите на мантията са идентифицирани редки разновидности на скали, които не се срещат в земната кора. Това са различни флогопитови перидотити, гроспидити и карбонатити.

Съдържание на основните елементи в мантията на Земята в масови проценти

елемент	Концентрация	Оксид	Концентрация
	44.8
	21.5	SiO2	46
	22.8	MgO	37.8
	5.8	FeO	7.5
	2.2	Al2O3	4.2
	2.3	CaO	3.2
	0.3	Na2O	0.4
	0.03	K2O	0.04
Сума	99.7	Сума	99.1

Структура на мантията

Процесите, протичащи в мантията, оказват пряко въздействие върху земната кора и повърхността на земята, причинявайки движение на континента, вулканизъм, земетресения, изграждане на планини и образуване на рудни находища. Има все повече доказателства, че самата мантия е активно повлияна от металното ядро на планетата.

Конвекция и струи

Библиография

Pushcharovsky D.Yu., Pushcharovsky Yu.M.Състав и структура на мантията на Земята // Soros Educational Journal, 1998, No 11, p. 111–119.
Ковтун А.А.Електрическа проводимост на Земята // Soros Educational Journal, 1997, № 10, с. 111–117

Източник: Короновски Н.В., Якушова А.Ф. "Основи на геологията", М., 1991 г

Връзки

Изображения на земната кора и горната мантия // Международна геоложка корелационна програма (IGCP), проект 474

атмосфера
Биосфера

Земната мантия е геосферата, разположена между земната кора и ядрото. Мантията съставлява 83% от обема и 67% от общата маса на Земята. В него има няколко слоя - горна и долна мантия. Между тях няма ясна граница. В допълнение, горната мантия също е разделена на няколко геосфери. Мантията заема огромен диапазон от дълбочини и с увеличаване на налягането в веществото възникват фазови преходи, по време на които минералите придобиват все по-плътна структура.

Съгласно съвременните научни представи съставът на земната мантия се смята за подобен на състава на каменните метеорити. Съставът на мантията включва предимно химически елементи, които са били в твърдо състояние или в твърди химични съединения по време на образуването на Земята: силиций, желязо, кислород, магнезий и др.

Горната мантия е геосферата, разположена между земната кора и долната мантия на земята. Той е отделен от горната кора от повърхността на Мохоровичич. Долната граница на горната мантия е неясна и се намира на дълбочина около 900 km. Горната мантия играе важна роля в тектоничните, магмените и метаморфните процеси, протичащи в земната кора, при образуването на минерали и др.

Субстрат. Субстратът е слой от горната мантия, разположен върху астеносферата. Заедно със земната кора образува литосферата. Това е твърда платформа, върху която в процеса на геоложкото развитие е възникнала земната кора. Предполага се, че тази геосфера има намален вискозитет и следователно изпитва бавни движения (течения) под въздействието на подлежащите структури. Това е, което се свързва с причината за движението на литосферните плочи. В допълнение, целият субстрат е в състояние на изостазия, което определя взаимното балансиране на плочите: когато някои потъват, други се издигат.

Астеносфера. Скоростите на сеизмичните вълни в мантията нарастват с дълбочината. Но започвайки от дълбочина 80-100 км под континентите и около 50 км под океаните, те намаляват за около 100 км, след което започват да нарастват и на дълбочина около 400 км отново се връщат към нормалните стойности, съответстващи на общият ход на кривите на графиката на скоростта в тази част мантия. Особено забележимо е намаляването на скоростта на напречните вълни. Тази зона с ниски скорости на сеизмичните вълни се нарича астеносфера или Гутенбергов слой.

Поради високата температура и налягане веществото не се топи, а преминава в аморфно състояние. Има и друго предположение: в слоя Гутенберг само най-топимите кристали са се разтопили, така че отделни капки течност са били разпръснати в общото твърдо вещество. И от двете предположения следва, че астеносферата се характеризира с намален вискозитет и това е много важно за обяснение на много процеси, протичащи на Земята.

Факт е, че скалите под високо налягане и температура могат да текат бавно, оставайки твърди, точно както ледник тече от планина. Очевидно е, че потокът от материал под неравномерно налягане възниква точно в астеносферата. Смята се, че изостазията възниква поради потока на материала в слоя Гутенберг.

При измерване на скоростта на разпространение на сеизмичните вълни се наблюдава, че напречните еластични вълни преминават свободно през кората и цялата мантия, но е известно, че те не преминават през течност. Това показва, че няма непрекъснат течен слой нито в кората, нито в мантията. Твърдостта на горната мантия се потвърждава и от факта, че в нея (както и в земната кора) се наблюдават земетръсни огнища – в отделни райони на дълбочина до 700 km. Няма по-дълбоки земетресения.

Голицински слой. Останалата част от горната мантия под астеносферата се нарича слой Голицин. В слоя Голицин скоростите на сеизмичните вълни нарастват особено бързо с дълбочина. Това се обяснява с факта, че под въздействието на много високо налягане силикатите придобиват различна кристална форма, с по-плътна опаковка на атомите. Това води до силно увеличаване на скоростта на сеизмичните вълни. В същото време плътността също трябва да се увеличи, следователно в слоя Голицин се предполага бързо увеличаване на плътността с дълбочина.

Слоят Голицин служи като интерфейс между горната и долната мантия и се намира на дълбочина около 670 km.

Долната мантия е частта от мантията, разположена под астеносферата и лежи на дълбочини от 670 - 2900 km. В долната мантия скоростите на сеизмичните вълни се увеличават с дълбочината точно както би трябвало да се увеличават поради повишеното налягане. Плътността се увеличава само поради еластична компресия под налягане. Долната мантия представлява 47% от обема на Земята и 41% от нейната маса. По сеизмични данни в него се разграничават слоеве D" и D".

Мантиен слой D". Характеризира се с по-нататъшно увеличаване на скоростта на сеизмичните вибрации (скоростта на напречните еластични вълни достига 10,75-13,68 km/s). На границата от 660 km скоростта на сеизмичните вълни е необичайно ниска и има хоризонтални и вертикални хетерогенности.Това е свързано с промяна в състава на мантията (преход на рингвудит и мажоритни минерали в първоскит, магнезиовюстит и оксидни фази).Повечето изследователи приемат, че долната мантия е 70% съставена от перовскит.

Увеличаването на плътността с дълбочина, започвайки от 670 km, понякога се свързва с увеличаване на съдържанието на желязо, т.е. допускат се промени в химическия състав на мантията. Наблюдава ли се максималният вискозитет (якост, качествен фактор) на материала на мантията в дълбочина? 2000 км.

Граница на раздела. Самата граница между слоевете D" и D" е изразена с различна яснота. В някои области преходът е постепенен, в други рязък; в някои области под тази граница сеизмичните скорости се увеличават, в други намаляват.

Мантиен слой D". Отличителна черта на този слой е неговата изразена анизотропия. Тя се проявява чрез неравности на покрива, съответно променлива дебелина, значителни вариации на сеизмичните скорости във вертикална и хоризонтална посока и наличието на зона на ултра -ниски скорости в основата на слоя.

Много важно е откриването на зона с ниски сеизмични скорости в основата на слоя с дебелина 20-30 km. Предполага се, че веществото тук е в състояние на значително частично топене, което определя възможността за интензивен масов и топлообмен между мантията и земното ядро. Разтопеното желязо от мантията се влива в ядрото, освобождавайки огромно количество топлинна енергия и декомпресирайки мантията. Мантийният слой D" е 75% съставен от постперовскит, който е стабилен в широк диапазон от термодинамични условия и добре обяснява свойствата на слой D"

Преносът на топлина и маса се извършва не само директно по границата мантия-ядро (2900 km), но и в целия обем на слой D", който, от една страна, е източникът на мащабни възходящи потоци от нагрята декомпресирана мантийна материя, а от друга страна, мястото за погребение на субдуциращи плочи от океанска литосфера.