Мантия (слои B/C/D):верхняя, нижняя мантия
Эта геосфера является самым крупным элементом Земли - занимает 83 % ее объема и составляет около 66 % ее массы, простирается на глубину приблизительно 2900 км от поверхности. Имеет достаточно сложное внутреннее строение, в составе которого выделяют несколько границ раздела. Сверху, от земной коры, ее отделяет поверхность Мохоровичича, открытая в 1909 г. югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) и названная в его честь (сокращенно ее называют границей Мохо или границей М); снизу она ограничивается поверхностью Вихерта- Гутенберга или просто границей Гутенберга (границей Г), открытой в 1914 году немецким сейсмологом Б. Гутенбергом (1889-1960). По значениям физических параметров мантия делится на верхнюю мантию (слой B, или слой Гутенберга, мощностью 400 км и слой C, до 800-1000 км) и нижнюю мантию (слой D до глубины 2900 км с переходным слоем D1 - от 2700 до 2900 км). Некоторые исследователи выделяют среднюю мантию (слой C, или слой Голицына, названный в честь российского сейсмолога Бориса Борисовича Голицына (1862-1916)).
Внутри слоя Гутенберга, на глубинах 70-150 км, наблюдается область со специфическими свойствами, где предположительно развиваются очаги плавления вещества мантии. Эту часть слоя Гутенберга также считают отдельной и называют астеносферой. Земная кора вместе с твердой частью слоя Гутенберга образует единый жесткий слой, лежащий на астеносфере, который называется литосферой, или каменной оболочкой Земли. По существу, литосфера является своеобразной геосферой, отделенной от остальной части мантии полужидким поясом астеносферы.
Состав вещества мантии представлен минералами, находящимися в различных модификациях в зависимости от температуры и давления на той или иной глубине, в основном силикатами, поэтому иногда мантию называют также силикатной оболочкой Земли.
Границы и слои внутри Земли носят названия в честь выдающихся сейсмологов, поскольку особенности глубинного строения Земли во многом были установлены именно с помощью сейсмических методов
Мантия с нижней границей на глубине 2920 км, распадающаяся на верхнюю (слой В с нижней границей на глубине 410 км), среднюю (слой С с глубинами залегания 410-1000 км) и нижнюю (слой D с глубинами 1000-2920 км, распадающийся на собственно нижнюю мантию D" с глубинами 1000-2700 км и переходный слой между мантией и ядром D" на глубинах 2700-2920 км). В слое В на глубинах около 100-300 км выделяется слой с пониженными жесткостью, скоростями се и cs и вязкостью, называемый астеносферой; вышележащая часть слоя В вместе с земной корой называется литосферой.
Глубина залегания
Объем мантии составляет 83% объема Земли, масса - 67% массы нашей планеты. Мантия делится на несколько геосфер, и прежде всего на верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет резкой границы, условно она проходит на глубине 900 км. Верхнюю мантию еще подразделяют на несколько сферических зон.
Агрегатное состояние, плотность
Плотность мантии увеличивается от 3,5 в верхних слоях до 5,5 г/см 3 на границе ядра. Температура вещества мантии соответственно увеличивается примерно от 500° до 3800°. Несмотря на высокую температуру, мантия находится в твердом состоянии. Граница между верхней и нижней мантией находится на глубине 900-1000 км от земной поверхности.
Под действием высокого давления мантия Земли, несмотря на высокую температуру, находится, вероятно, в кристаллическом состоянии, за исключением нижней части верхней мантии, где влияние температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Эту область, находящуюся либо в расплавленном, либо в аморфном состоянии, называют астеносферой. Внешний слой твердой Земли, включающий земную кору и часть верхней мантии, носит название литосферы. Литосфера лежит на астеносфере и расколота примерно на 10 больших плит, по границам которых расположено подавляющее число очагов землетрясений. При появлении трещин в литосфере магма астеносферы изливается под действием высокого давления на поверхность Земли, сопровождая мощные извержения вулканов.
Химический состав
Верхняя мантия сложена ультраосновными породами. В основном это - гранатовые лерцолиты со средним составом: оливин - 64%, ортопироксен - 27%, клинопироксен - 3%, гранат - 6%. Рингвуд назвал эту породу пиролитом. Железистость, т.е. величина отношения FeO / (MgO + FeO), этих пород и минералов находится в пределах 0,07 - 0,12. Под континентами в мантийном пиролите отмечаются скопления эклогитов. С глубиной плотность вещества мантии увеличивается. На фоне плавного увеличения плотности имеются и скачки ее роста на глубинах 220, 400, 500, 670 и др. Плавный рост плотности обусловлен уменьшением межатомных расстояний в структурах минералов в связи с уменьшением размеров атомов в условиях большого литостатического давления, а так как анионы и катионы уменьшаются с разной скоростью, то на определенных глубинах скачком происходят фазовые структурные перестройки вещества минералов с исчезновением менее плотных структур и появлением более плотных. Например, на глубине 400 км исчезает оливин (Mg, Fe)2 SiO4, а из его атомов образуется вадслеит.
В химическом составе вещества верхней мантии содержатся (в вес.%) SiO2 - 45,16%, TiO2 - 0,22%, Al2O3 - 3,97%, MgO - 38,30%, FeO - 7,82%, CaO - 3,50%, Na2O - 0,33%, K2O - 0,03% и др. Видно, что анионом минералов мантии является кислород, а главными катионами - Si и Mg. Вещество мантии на 83,46% сложено силикатами магния, и на 99% - силикатами магния, железа, алюминия, кальция. На все остальные химические элементы приходится 1%. Поэтому главными петрогенными элементами мантии являются O, Si, Mg, второстепенными будут - Fe, Al, Ca, а все остальные элементы следует считать малыми элементами. Малые элементы мантии принято делить на совместимые и несовместимые. Совместимыми являются элементы, которые легко изоморфно замещают главные и второстепенные элементы в структурах минералов мантии. Например, Ni, Co хорошо совместимы с Mg и Fe, а Cr хорошо совместим с Al. Несовместимыми являются элементы, сильно отличающиеся по размеру, заряду, типу химической связи от главных и второстепенных элементов мантии и поэтому они не могут их изоморфно замещать в структурах минералов мантии. Например: K, Rb, Cs, Sn, W, Ta, Nb, Mo, P, Cu, Pb, As, Hg, Sb, Bi, B, C, S, U, Th и др.
Мантия расположена на глубинах от 20 (в среднем) до 2900 км Эта промежуточная оболочка занимает более 80% объема земного шара Она имеет несколько концентрических слоев, каждый из которых более или менее однороден: верхней (В), средний (С) и нижней (D) Верхняя мантия (20-400 км) состоит из дунит - силикатных пород, богатых магнием и железом Ниже дунит, возможно, переходит в уплотненную разновидность габбро. В средней мантии (400-1000 км) происходят самые физико-химические превращения минералов: нарушаются кристаллические решетки, сжимаются электронные оболочки, плотно утрамбовываются атомы. В нижней мантии (1000-2900 км) горные породы приобретают свойства металлов.
Верхняя мантия, или астеносфера, вместе с земной корой образуют тектоносферы Особенно большую роль в тектонических движениях играет астеносфера, вещество которой вследствие высоких температур (около 1200 ° С)) находится в размягченном состоянии Это подтверждается снижением скорости распространения сейсмических волн Астеносфера, имея пластические свойства и удерживая на себе твердые породы, неустойчива в механическом и физико-химическом отношениях и поэтому выступает источником зарождения восходящих и нисходящих движений вещества Установлено, что многие фокусов землетрясений расположены именно ту тут.
Считают, что мантия состоит из соединений оксидов кремния, магния и железа. В ней давление с глубиной возрастает, а плотность вещества изменяется от 3,3 г/см 3 в верхних слоях до 5,5 г/см 8 в нижних Несмотря на высокую температуру на границе ядра (около 3800 ° С), вещество в нижней мантии находится в твердом состоянии, потому что находится в условиях очень высокого давления.
Силикатная оболочка Земли, её мантия, расположена между подошвой земной коры и поверхностью земного ядра на глубинах около 2 900 км. Обычно по сейсмическим данным мантию делят на верхнюю (слой В), до глубины 400 км, переходный слой Голицына (слой С) в интервале глубин 400-1000 км и нижнюю мантию (слой D) с подошвой на глубине примерно 2 900 км. Под океанами в верхней мантии выделяется ещё и слой пониженных скоростей распространения сейсмических волн - волновод Гутенберга, обычно отождествляемый с астеносферой Земли, в которой мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии. Под континентами зона пониженных скоростей, как правило, не выделяется либо слабо выражена.
В состав верхней мантии обычно включаются и подкоровые части литосферных плит, в которых мантийное вещество охлаждено и полностью раскристаллизовано. Под океанами мощность литосферы меняется от нуля под рифтовыми зонами до 60-70 км под абиссальными котловинами океанов. Под континентами толщина литосферы может достигать 200-250 км.
Наши сведения о строении мантии и земного ядра, а также о состоянии вещества в этих геосферах получены в основном по сейсмологическим наблюдениям, путём интерпретации годографов сейсмических волн с учётом известных уравнений гидростатики, связывающих между собой градиенты плотности и значения скоростей распространения продольных и поперечных волн в среде. Методика эта была разработана известными геофизиками Г. Джефрисом, Б. Гутенбергом и особенно К. Булленом ещё в середине 40-х годов и затем существенно усовершенствована К. Булленом и другими сейсмологами. Построенные по этой методике распределения плотности в мантии для нескольких наиболее популярных моделей Земли в сопоставлении с данными ударного сжатия силикатов (модель НС-1) приведены на рис. 10.
Рисунок 10.
1 — модель Наймарка-Сорохтина (1977а); 2 — модель Буллена А1 (1966); 3 — модель Жаркова «Земля-2» (Жарков и др., 1971); 4 — пересчёт данных Панькова и Калинина (1975) на состав лерцолитов при адиабатическом распределении температуры.
Как видно из рисунка, плотность верхней мантии (слоя В) с глубиной увеличивается от 3,3-3,32 примерно до 3,63-3,70 г/см 3 на глубине около 400 км. Далее в переходном слое Голицына (слое С) градиент плотности резко возрастает и плотность повышается до 4,55-4,65 г/см 3 на глубине 1 000 км. Слой Голицына постепенно переходит в нижнюю мантию, плотность которой плавно (по линейному закону) возрастает до 5,53-5,66 г/см 3 на глубине её подошвы около 2 900 км.
Увеличение плотности мантии с глубиной объясняется уплотнением её вещества под влиянием все возрастающего давления вышележащих мантийных слоев, достигающего на подошве мантии значений 1,35-1,40 Мбар. Особенно заметное уплотнение силикатов мантийного вещества происходит в интервале глубин 400-1000 км. Как показал А. Рингвуд, именно на этих глубинах многие минералы испытывают полиморфные превращения. В частности, наиболее распространённый в мантии минерал оливин приобретает кристаллическую структуру шпинели, а пироксены - ильменитовую, а затем и плотнейшую перовскитовую структуру. На ещё больших глубинах большинство силикатов, за исключением, вероятно, только энстатита, распадаются на простые окислы с плотнейшей упаковкой атомов в соответствующих им кристаллитах.
Факты движения литосферных плит и дрейфа континентов убедительно свидетельствуют о существовании в мантии интенсивных конвективных движений, неоднократно перемешивавших за время жизни Земли все вещество этой геосферы. Отсюда можно сделать вывод, что составы и верхней и нижней мантии в среднем одинаковые. Однако состав верхней мантии уверенно определяется по находкам ультраосновных пород океанической коры и составам офиолитовых комплексов. Изучая офиолиты складчатых поясов и базальты океанических островов, А. Рингвуд ещё в 1962 г. предложил гипотетический состав верхней мантии, названный им пиролитом, получаемый при смешении трёх частей альпинотипного перидотита - габсбургита с одной частью гавайского базальта. Пиролит Рингвуда близок по составу к океаническим лерцолитам, подробно изученным Л.В. Дмитриевым (1969, 1973). Но в противоположность пиролиту океанический лерцолит является не гипотетической смесью пород, а реальной мантийной породой, поднявшейся из мантии в рифтовых зонах Земли и обнажающейся в трансформных разломах вблизи от этих зон. К тому же Л. В. Дмитриев показал комплиментарность океанических базальтов и реститовых (остаточных после выплавки базальтов) гарцбургитов по отношению к океаническим лерцолитам, доказав тем самым первичность лерцолитов, из которых, следовательно, выплавляются толеитовые базальты срединно-океанических хребтов, а в остатке сохраняется реститовый гарцбургит. Таким образом, ближе всего составу верхней мантии, а следовательно, и всей мантии соответствует описанный Л. В. Дмитриевым океанический лерцолит, состав которого приведён в табл. 1.
| Окислы | Состав континентальной коры (1) | Модельный состав мантии Земли (2) | Модельный состав ядра Земли | Состав первичного вещества Земли (расчёт) | Средний состав хондритов (3) | Средний состав углистых хондритов (4) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO 2 | 59,3 | 45,5 | — | 30,78 | 38,04 | 33,0 |
| TiO 2 | 0,7 | 0,6 | — | 0,41 | 0,11 | 0,11 |
| Al 2 O 3 | 15,0 | 3,67 | — | 2,52 | 2,50 | 2,53 |
| Fe 2 O 3 | 2,4 | 4,15 | — | — | — | — |
| FeO | 5,6 | 4,37 | 49,34 | 22,76 | 12,45 | 22,0 |
| MnO | 0,1 | 0,13 | — | 0,09 | 0,25 | 0,24 |
| MgO | 4,9 | 38,35 | — | 25,77 | 23,84 | 23,0 |
| CaO | 7,2 | 2,28 | — | 1,56 | 1,95 | 2,32 |
| Na 2 O | 2,5 | 0,43 | — | 0,3 | 0,95 | 0,72 |
| K 2 O | 2,1 | 0,012 | — | 0,016 | 0,17 | — |
| Cr 2 O 3 | — | 0,41 | — | 0,28 | 0,36 | 0,49 |
| P 2 O 5 | 0,2 | — | — | — | — | 0,38 |
| NiO | — | 0,1 | — | 0,07 | — | — |
| FeS | — | — | 6,69 | 2,17 | 5,76 | 13,6 |
| Fe | — | — | 43,41 | 13,1 | 11,76 | — |
| Ni | — | — | 0,56 | 0,18 | 1,34 | — |
| Сумма | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 99,48 | 98,39 |
Кроме того, признание существования в мантии конвективных движений позволяет определить и её температурный режим, поскольку при конвекции распределение температуры в мантии должно быть близким к адиабатическому, т.е. к такому, при котором между смежными объёмами мантии не происходит теплообмена, связанного с теплопроводностью вещества. В этом случае теплопотери мантии происходят только в её верхнем слое - через литосферу Земли, распределение температуры в которой уже резко отличается от адиабатического. Но адиабатическое распределение температуры легко рассчитывается по параметрам мантийного вещества.
Для проверки гипотезы о едином составе верхней и нижней мантии были проведены расчёты плотности океанического лерцолита, поднятого в трансформном разломе хребта Карлсберг в Индийском океане, по методике ударного сжатия силикатов до давлений около 1,5 Мбар. Для такого «эксперимента» вовсе не обязательно сжимать сам образец породы до таких высоких давлений, достаточно знать его химический состав и результаты ранее проведённых опытов по ударному сжатию отдельных породообразующих окислов. Результаты такого расчёта, выполненного для адиабатического распределения температуры в мантии, были сопоставлены с известными распределениями плотности в этой же геосфере, но полученными по сейсмологическим данным (см. рис. 10). Как видно из приведённого сравнения, распределение плотности океанического лерцолита при высоких давлениях и адиабатической температуре неплохо аппроксимирует реальное распределение плотности в мантии, полученное по совершенно независимым данным. Это свидетельствует в пользу реальности сделанных предположений о лерцолитовом составе всей мантии (верхней и нижней) и об адиабатическом распределении температуры в этой геосфере. Зная распределение плотности вещества в мантии, можно подсчитать и её массу: она оказывается равной (4,03-4,04)×10 2 г, что составляет 67,5% от общей массы Земли.
На подошве нижней мантии выделяется ещё один мантийный слой толщиной около 200 км, обычно обозначаемый символом D’’, в котором уменьшаются градиенты скоростей распространения сейсмических волн и возрастает затухание поперечных волн. Более того, на основании анализа динамических особенностей распространения волн, отражённых от поверхности земного ядра, И.С. Берзон и её коллегам (1968, 1972) удалось выделить тонкий переходный слой между мантией и ядром толщиной около 20 км, названный нами слоем Берзон, в котором скорость поперечных волн в нижней половине убывает с глубиной от 7,3 км/с практически до нуля. Снижение же скорости поперечных волн можно объяснить лишь уменьшением значения модуля жёсткости, а следовательно, и уменьшением коэффициента эффективной вязкости вещества в этом слое.
Сама граница перехода от мантии к земному ядру при этом остаётся достаточно резкой. Судя по интенсивности и спектру отражённых от поверхности ядра сейсмических волн, толщина такого пограничного слоя не превышает 1 км.
Многим известно, что планета Земля в сейсмическом (тектоническом) смысле состоит из ядра, мантии и литосферы (коры). Мы рассмотрим, что такое мантия. Это слой или промежуточная оболочка, которая находится между ядром и корой. Мантия составляет 83% объема планеты Земля. Если же брать вес, то 67% Земли - это мантия.
Два слоя мантии
Еще в начале двадцатого века было принято считать, что мантия однородна, но уже к середине столетия ученые пришли к выводу, что она состоит из двух слоев. Близкий к ядру слой - это нижняя мантия. Тот слой, который граничит с литосферой - верхняя мантия. Верхняя мантия уходит вглубь Земли приблизительно на 600 километров. Нижняя граница нижней мантии расположена на глубине до 2900 километров.
Из чего состоит мантия
Подобраться к мантии ученым еще не доводилось. Никакое бурение пока еще не позволило приблизиться к ней. Поэтому все исследования производятся не опытным, а теоретическим и опосредованным путем. Свои выводы о мантии земли ученые делают прежде всего на основе геофизических исследований. В расчет берутся электропроводность, сейсмические волны, скорость их распространения, сила.
Японские ученые заявляли о своих намерениях подойти к мантии земли, пробурив океанические породы, но пока их планы еще не воплощены в жизнь. На дне океана уже найдены некоторые места, где слой земной коры наиболее тонкий, то есть до верхней части мантии отсанется бурить всего-то каких-то 3000 км. Сложность заключается в том, что бурение должно проводится на дне океана и при этом буру предстоит пройти участки сверхпрочных пород, а это можно сравнить с попыткой хвостика нитки прорваться через стенки наперстка. Безусловно, возможность изучить образцы пород, взятых непосредственно из мантии, дала бы составить более точное представление о ее структуре и составе.
Алмазы и перидоты
Информативными являются и мантийные породы, которые в результате различных геофизических и сейсмических процессов оказываются на поверхности земли. Например, к мантийным породам относятся алмазы. Некоторые из них, предполагают исследователи, поднимаются из нижней мантии. Наиболее распространенные породы - это перидоты. Они часто выбрасываются в лаве извержениями вулканов. Изучение мантийных пород позволяет ученым с определенной точностью говорить о составе и основных чертах мантии.
Жидкое состояние и вода
Составляют мантию силикатные породы, которые насыщены магнием и железом. Все вещества, составляющие мантию, пребывают в раскаленном. расплавленном, жидком состоянии, ведь температура этого слоя достаточно велика - до двух с половиной тысяч градусов. Вода также входит в состав мантии Земли. В количественном отношении ее там в 12 раз больше, чем в мировом океане. Запас воды в мантии таков, что если бы ее выплеснуть на поверхность земли, то вода поднялась бы над поверхностью на 800 метров.
Процессы в мантии
Граница мантии не представляет собой ровную линию. Наоборот, в некоторых местах, например, в районе Альп, на дне океанов, мантийные, то есть относящиеся к мантии породы подступают довольно близко к поверхности Земли. Именно физические и химические процессы, которые протекают в мантии, оказывают влияние на то, что происходит в земной коре и на поверхности земли. Речь идет об образовании гор, океанов, движении материков.
У учёных нет сомнений в том, что наша планета состоит минимум из трёх структур: наружная оболочка – кора, внутренняя сердцевина – ядро, а между ними как раз и лежит слой земных пород – мантия.
Она заметно толще коры и занимает более 80% всего объёма земного шара. Начинается мантия на глубине примерно 30–50 км (под океанами) и гораздо ниже – под континентами. На глубине около 30 000 км она граничит с ядром.
Как изучают строение Земли на таких огромных глубинах?
Конечно, недра – это не бездны океана или космоса. Внутрь планеты не послать ни экспедиции, ни роботов. Однако разработаны методы, которые позволяют туда «заглянуть». Для этого есть несколько путей.
1. Геофизические исследования. Например, регистрировать распространение волн от землетрясений. Пока эти волны доберутся, например, от Японии до Германии, они не раз изменят своё направление и скорость. По тому, в каких слоях они идут медленней, в каких – быстрее, можно судить о строении этих слоёв, их составе.
2. Геологические коллекции. Специалисты часто умеют различать «камешки» по месту их рождения. Так, недавно удалось по примесям расшифровать биографию шести алмазов. Когда-то крошечные кусочки углерода опустились из коры в мантию и «утонули» в ней. Чудовищное давление превратило их в , а восходящий поток понёс их в кору. Они оказались в вулканической породе, которую через 200 млн. лет люди подняли из бразильской шахты.
3. Эксперименты. Примерно представляя себе условия в недрах Земли, можно воспроизвести их в лабораториях и посмотреть на результаты.
4. Бурение сверхглубоких скважин.
Правда, пока что самая глубокая из них, на Кольском полуострове достигла лишь отметки 12 262 метра. Возможно, добраться до мантии получится бурением океанского дна – здесь-то кора намного тоньше. Такое может оказаться под силу буровым суднам, уже созданным специально для подобных работ.
Из чего состоит мантия? Какие процессы в ней идут?
О мантии можно судить по её обломкам, которые вынесены на поверхность суши или долин океанского дна миллиарды лет назад. Предполагают, что мантия зеленовато-чёрная и состоит из горных пород, содержащих кремний, магний, кальций, железо, кислород. По составу она похожа на . Когда-то, до образования коры, такой была вся поверхность Земли.
Ныне распад радиоактивных веществ подогревает ядро, и оно передаёт свой жар мантии. Температура самого нижнего её слоя измеряется тысячами градусов. Поэтому его горные породы размягчены, колоссальное давление делает их текучими. Снаружи температура мантии постепенно падает. Охлаждённые внешние массы опускаются, подогретые внутренние – всплывают. Из-за высокой вязкости скорость движения невелика – до нескольких десятков сантиметров в год. Но этот круговорот никогда не прекращается. Время от времени потоки мантийного вещества внедряются в кору, этим перемещениям помогают вулканы.
Почему важно исследовать мантию Земли?
Мантия находится от нас далеко (точнее, глубоко), но, безусловно, влияет на жизнь людей и всей окружающей нас природы. Движения в мантии заставляют перемещаться стоящие на ней огромные плиты коры, которые несут континенты. Результат известен – землетрясения, извержения вулканов и массовые вымирания организмов, рождение и гибель островов, движение материков. Поняв процессы в мантии, мы получим шанс предвидеть глобальные катастрофы.
Тепловые перемещения в мантии влияют на появление зон подземного тепла. Представляя себе её «поведение», будет легче находить такие зоны для постройки геотермальных электростанций, горячие подземные воды, металлические руды. Да и другие полезные ископаемые тоже.
Скажем, считалось, что горючий газ метан образуется из гниющей органики благодаря бактериям. Но не так давно группа физиков доказала, что бывает иначе. Учёные смешали воду, оксид железа и минерал кальцит. Смесь разогрели до 1000°С под давлением 110 тысяч атмосфер и получили метан! Эти означало, что он может появляться и в глубинах мантии. Не исключено, что оттуда он поднимается в толщу коры. Так что тут нужно искать его скопления и добывать.
Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей - от 7 до 8-8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына , располагающийся на глубине около 673 км.
В начале 20 века активно обсуждалась природа границы Мохоровичича. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такой реакции предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит , и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмических волн изменением состава пород - от относительно лёгких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Эта точка зрения сейчас является общепризнанной.
Отличие состава земной коры и мантии - следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть - кору и плотную и тугоплавкую мантию.
Источники информации о мантии
Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.
Мантию изучают по следующим данным:
- Геофизические данные. В первую очередь данные о скоростях сейсмических волн, электропроводности и силе тяжести.
- Мантийные расплавы - перидотиты , базальты , коматииты , кимберлиты , лампроиты , карбонатиты и некоторые другие магматические горные породы образуются в результате частичного плавления мантии. Состав расплава является следствием состава плавившихся пород, механизма плавления и физико-химических параметров процесса плавления. В целом, реконструкция источника по расплаву - сложная задача.
- Фрагменты мантийных пород, выносимые на поверхность мантийными же расплавами - кимберлитами, щелочными базальтами и др. Это ксенолиты , ксенокристы и алмазы . Алмазы занимают среди источников информации о мантии особое место. Именно в алмазах установлены самые глубинные минералы, которые, возможно, происходят даже из нижней мантии. В таком случае эти алмазы представляют собой самые глубокие фрагменты земли, доступные непосредственному изучению.
- Мантийные породы в составе земной коры. Такие комплексы в наибольшей степени соответствуют мантии, но и отличаются от неё. Самое главное различие - в самом факте их нахождения в составе земной коры, из чего следует, что они образовались в результате не совсем обычных процессов и, возможно, не отражают типичную мантию. Они встречаются в следующих геодинамических обстановках:
- Альпинотипные гипербазиты - части мантии, внедрённые в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах , от которых и произошло название.
- Офиолитовые гипербазиты - перидотиты в составе офиолитовых комплексов - частей древней океанической коры .
- Абиссальные перидотиты - выступы мантийных пород на дне океанов или рифтов .
Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно наблюдать геологические соотношения между различными породами.
Было объявлено, что японские исследователи планируют предпринять попытку пробурить океаническую кору до мантии. Начало бурения планировалось на 2007 год. Обсуждалась также возможность проникновения к границе Мохоровичича и в верхнюю мантию с помощью самопогружающихся вольфрамовых капсул, обогреваемых теплом распадающихся радионуклидов ().
Основной недостаток полученной из этих фрагментов информации - невозможность установления геологических соотношений между различными типами пород. Это кусочки мозаики. Как сказал классик [кто? ] , «определение состава мантии по ксенолитам напоминает попытки определения геологического строения гор по галькам, которые из них вынесла речка».
Состав мантии
Мантия сложена главным образом ультраосновными породами : перовскитами , перидотитами (лерцолитами , гарцбургитами , верлитами, пироксенитами , дунитами) и в меньшей степени основными породами - эклогитами .
Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты.
| Элемент | Концентрация | Оксид | Концентрация | |
|---|---|---|---|---|
| 44,8 | ||||
| 21,5 | SiO 2 | 46 | ||
| 22,8 | MgO | 37,8 | ||
| 5,8 | FeO | 7,5 | ||
| 2,2 | Al 2 O 3 | 4,2 | ||
| 2,3 | CaO | 3,2 | ||
| 0,3 | Na 2 O | 0,4 | ||
| 0,03 | K 2 O | 0,04 | ||
| Сумма | 99,7 | Сумма | 99,1 |