img img

Мантия Земли

29.03.2015

earth[1]Мантия — самая крупная из трех оболочек Земли, занимающая 84% ее объема и составляющая 69% ее массы. Мантия отделена от коры границей Мохоровичича, а от ядра — границей Гутенберга. По модели К. Буллена, мантию по сейсмическим данным разделяют на три зоны: зону В, или верхнюю мантию (33—400 км), переходную зону С (400—1000 км) и зону D (1000—2900 км), — нижнюю мантию. За последние годы в изучении мантии достигнуты большие успехи. Установлены ее гетерогенность и возможные фазовые переходы слагающего ее силикатного материала, а также неоднородность мантии в горизонтальном направлении. Процессы, происходящие в верхней мантии, определяют важнейшие геологические события в земной коре.

Согласно современным представлениям, различные свойства зон мантии связаны не столько с изменениями ее химического состава, сколько с различными фазовыми переходами силикатного материала под влиянием увеличения давления с глубиной.

Современная мантия является основной оболочкой Земли, но в течение геологического времени в ней произошли определенные изменения, связанные главным образом с дифференциацией ее вещества преимущественно в верхних горизонтах. Вещество, слагающее мантию твердое, если не считать отдельных участков верхней мантии (В). Многие авторы (А. П. Виноградов и др.) принимали в основном хондритовый состав мантии. Однако, как отмечает М. Ботт, хондритовая модель дает только удобную основу для теоретического рассмотрения и выбора наиболее вероятной модели. Верхнюю мантию слагают, вероятно, ультраосновные породы. В то же время было выдвинуто предположение, что граница Мохоровичича отражает фазовый переход между базальтовой корой и эклогитоюй мантией. Однако современные геофизические данные свидетельствуют против интерпретации границы Мохоровичича как границы фазового перехода базальта в эклогит. Вероятнее всего, в области континентальной коры граница определяется средними гранулитами нижней коры и ультраосновными породами самой верхней части мантии. В пределах океанической коры граница разделяет ультраосновные породы с большим содержанием оливина в мантии и продукта их гидратации — серпентинита. Но не исключен и другой вариант границы — между океаническими базальтами и подстилающими их ультраосновными породами.

Верхняя мантия является источником базальтового магматизма, очаги которого расположены на глубинах 60—400 км. При излиянии базальтовой магмы в нее попадают включения мантийного материала, которые дают нам сведения о составе мантии. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических пород, происхождение которых связано с выносом мантийного материала мощными тектоническими движениями. К мантийному материалу относятся породы островов св. Павла в средней части Атлантического океана, а также обломки пород, собранные советскими океанографическими экспедициями со дна Индийского океана в области Индоокеанского хребта.

Современные представления о природе верхней мантии несколько прояснились в результате усовершенствования техники и методики изучения минералов и горных пород при высоких давлениях и температурах. Эксперименты по высоким давлениям показали, что только три типа пород: дунит (оливин), перидотит (оливин + пироксен) и эклогит (гранат + пироксен) обладают упругими свойствами того порядка, какой дают наблюдения скорости сейсмических волн в верхней мантии.

Геофизические данные и петрографические наблюдения показывают, что ведущим типом пород верхней мантии является гранатовый перидотит. Тем не менее мантия в целом является неоднородной и в ней могут присутствовать разные породы от эклогита до перидотита. На глубинах 150—400 км верхняя мантия относительно однородна и ее свойства можно объяснить сжатием силикатных минералов при условиях нормального геотермического градиента. Важнейшими минералами верхней мантии являются оливин, пироксен и гранат с подобными ему фазами низкого давления. Согласно предположению А. Рингвуда и др., верхняя мантия соответствует ультраосновной модели с валовым составом, содержащим 1 часть базальта и 3 части дунита, порода эта была названа пиролитом. Фракционное плавление пиролита может дать базальтовую магму, поступающую в верхние горизонты планеты. В остатке находится порода, близкая к составу дунита или перидотита.

В верхней мантии наблюдается зона с пониженными скоростями сейсмических волн. Ее появление нельзя объяснить какой-либо минеральной ассоциацией или изменением геотермического градиента. Комбинируя данные по ультразвуковым скоростям, петрологическим данным и тепловым потокам, Д. Андерсон (1970 г.) допустил, что наличие зоны лучше всего объясняется парциальным плавлением или дегидратацией минеральных ассоциаций, содержащих малые количества воды. Предполагая, что скорости сейсмических волн являются функцией упругих свойств двух фаз (жидкой и твердой), Ф. Берч (1970 г.) заключил, что зона пониженных скоростей может быть объяснима присутствием расплава в количестве 6%.

Согласно модели А. Рингвуда для верхней мантии, переходная зона мантии (С) расположена на глубинах 400—1000 км, и господствующие здесь давления в пределах 160—450 кбар определяют существование сжатого вещества, что приводит к ряду полиморфных превращений главных породообразующих минералов. Эти изменения отражают минеральные ассоциации, которые на 20% плотнее, чем соответствующие ассоциации в верхней мантии. Эксперименты над оливином при высоких давлениях показали, что этот главный минерал мантии при давлениях, соответствующих глубинам 400 км, приобретает структуру типа шпинели. Данная структура на 10% плотнее, чем та же структура при низких давлениях. Крупные разрывы в мантии встречаются на глубинах от 400 до 600 км. Глубже 600 км кремний с кислородом встречается в шестерной координации. Интересно отметить, что очаги землетрясений глубже 700 км не встречаются, вероятно, они связаны с полиморфными превращениями и крупными изменениями координации в минералах мантии на этих глубинах. Таким образом, переходная зона между верхней и нижней мантией на современном уровне знаний может быть истолкована как область, где происходят реакции, при которых силикаты с ионом кремния в четверной координации превращаются в силикаты, в которых кремний занимает шестерную координацию. Это подтверждается и синтезом стишовита — полиморфной разности SiO2 со структурой рутила, а также германатного пироксена со структурой ильменита. Ферромагнезиальные силикаты в переходной зоне с увеличением давления превращаются в шпинеле- и гранатоподобную фазы, а в нижней мантии разлагаются на плотные окислы. В 1952 г. В. А. Магницкий показал, что под влиянием высоких давлений может происходить распад силикатов на окислы.

Экспериментально доказанный распад силикатов на окислы под влиянием давления открывает возможности для интерпретации строения и состава переходной зоны и нижней мантии. Если в переходной зоне с глубиной происходит распад силикатов и алюмосиликатов, то в более глубокой нижней мантии состав должен выражаться наличием следующих окислов: MgO — периклаз, FeO — вюстит, SiO2 — стишовит, CaO — известь.

Сказанное далеко не исчерпывает возможные характерные особенности строения и состава нижней мантии. Так, в частности, такой ведущий окисел планет земного типа как SiO2 может существовать не только в форме стишовита при давлениях 80 кбар с плотностью 4,29 г/см3, но и приобретать значительно более плотные модификации. Последние опыты по ударному давлению на α-кварц при давлении 103 кгс/см2 обнаружили увеличение плотности более чем до 5 г/см3. На основании последних экспериментальных данных по статическому сжатию кремнезема при сверхвысоких давлениях В. Урусов и Н. Хитаров высказали предположение о возможности перехода стишовита на глубинах, соответствующих нижней мантии, во флюоритоподобную модификацию с координационным числом для кремния. При более высоких давлениях на границе между мантией и ядром ими допускается возможность перехода кремнезема в структуру типа котуннита PbCl2 с дальнейшим увеличением плотности на 8—10%. Таким образом, интерпретация природы нижней мантии нашей планеты далека еще от завершения и долго будет оставаться проблемой настоящего и будущего.

Использованная литература:

  1. http://www.activestudy.info/vnutrennee-stroenie-zemli/
  2. http://www.activestudy.info/vnutrennee-stroenie-planety-zemlya/

Смотрите также:
  • Вызов электрика на дом или в организацию
    Вызов электрика на дом или в организацию

    Многим может показаться, что на любом большом предприятии есть свой электрик. В принципе, по закону может так и должно быть, но держать электрика на ставке – это очень дорого и невыгодно. Проблемы с электричеством на предприятиях случаются крайне редко. В связи с этим и получаетс

  • Как получить доступ к платным телеканалам
    Как получить доступ к платным телеканалам

    Что делать, если вам надоели те каналы, которые вы можете смотреть по кабельному телевидению или цифре. Разумеется, что среди них может быть что-то хорошее, но пока этого хорошего дождешься, можно и выспаться. В связи с этим вы должны раз и навсегда запомнить, что альтернатив ста

  • Школьные автобусы на заказ
    Школьные автобусы на заказ

    Наверное, наша страна еще не до такой степени цивилизованная и развитая, чтобы в ней появились полноценные школьные автобусы. Мы не раз смотрели американские фильмы и видели, как в некоторых районах города автобусы собирают детей и потом везут их в школу. Это все очень удобно, пр