Мантия Земли представляет собой слой силикатной породы между корой и внешним ядром . Он имеет массу 4,01 × 10 24 кг и, таким образом, составляет 67% массы Земли. [1] Он имеет толщину 2900 километров (1800 миль) [1], что составляет около 84% объема Земли. Он преимущественно твердый, но в геологическое время ведет себя как вязкая жидкость , иногда описываемая как имеющая консистенцию карамели . [2] [3] Частичное таяние мантии на срединно-океанических хребтах приводит к образованию океанической коры., а частичное плавление мантии в зонах субдукции приводит к образованию континентальной коры . [4]
Состав
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 под континентальной корой обычно имеет толщину 150–200 км. [5] Литосфера и вышележащая кора составляют тектонические плиты , которые перемещаются по астеносфере.
Мантия Земли разделена 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)) [6]
- 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
Вершина мантии определяется внезапным увеличением сейсмической скорости, что впервые было отмечено Андрией Мохоровичичем в 1909 году; эта граница теперь упоминается как разрыв Мохоровича или «Мохо». [7] [8]
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 верхней части 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. [9] 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.
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 закреплены на континенте. Породы мантии также отбираются в виде ксенолитов в базальтах или кимберлитах .
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. [12] Состав мантии изменился на протяжении истории Земли из-за извлечения магмы, которая затвердела, образуя океаническую 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. [13]
Температура и давление
В мантии температура колеблется от примерно 200 ° C (392 ° F) на верхней границе с корой до примерно 4000 ° C (7230 ° F) на границе ядро-мантия . [14] геотермальный градиент из мантийных быстро возрастает в тепловых граничных слоях в верхних и нижней части мантии, и постепенно увеличивается через внутреннюю часть мантии. [15] Хотя более высокие температуры намного превышают точки плавления мантийных пород на поверхности (около 1200 ° C для типичного перидотита), мантия почти исключительно твердая. [16] Огромное литостатическое давление, оказываемое на мантию, предотвращает плавление, потому что температура, при которой начинается плавление ( солидус ), увеличивается с давлением.
Давление в мантии увеличивается от нескольких кбар на Мохо до 1390 кбар (139 ГПа) на границе ядро-мантия. [14]
Движение
Из-за разницы температур между поверхностью Земли и внешним ядром и способности кристаллических пород при высоком давлении и температуре претерпевать медленную ползучую вязко-подобную деформацию в течение миллионов лет, в мантии существует конвективная циркуляция вещества. [7] Горячий материал поднимается вверх , тогда как более холодный (и более тяжелый) материал опускается вниз. Нисходящее движение материала происходит на границах сходящихся плит, называемых зонами субдукции. Предполагается, что места на поверхности, лежащие над шлейфами, будут иметь большую высоту (из-за плавучести более горячего и менее плотного шлейфа под ним) и проявить вулканизм в горячих точках . Вулканизм, часто приписываемый глубинным плюмам мантии, альтернативно объясняется пассивным растяжением коры, позволяющим магме вытекать на поверхность: гипотеза плит . [17]
Конвекция в мантии Земли является хаотичным процессом (в смысле динамики жидкости), который , как полагают, является неотъемлемой частью движения плит. Движение плит не следует путать с дрейфом континентов, который относится исключительно к движению компонентов земной коры континентов. Движения литосферы и подстилающей мантии взаимосвязаны, поскольку нисходящая литосфера является важным компонентом конвекции в мантии. Наблюдаемый дрейф континентов представляет собой сложную взаимосвязь между силами, вызывающими опускание океанической литосферы, и движениями внутри мантии Земли.
Хотя существует тенденция к увеличению вязкости на большей глубине, эта зависимость далека от линейной и показывает слои с резко пониженной вязкостью, в частности, в верхней мантии и на границе с ядром. [18] Мантия в пределах примерно 200 км (120 миль) над границей ядро-мантия, по-видимому, имеет совершенно иные сейсмические свойства, чем мантия на немного меньших глубинах; Эта необычная область мантии, расположенная прямо над ядром, называется D ″ («D с двойным штрихом») - это название было введено более 50 лет назад геофизиком Китом Булленом . [19] D ″ может состоять из материала из субдуцированных пластин, которые спустились и остановились на границе ядро-мантия, и / или из нового минерального полиморфа, обнаруженного в перовските, который называется постперовскитом.
Землетрясения на небольших глубинах являются результатом сдвиговых нарушений; однако ниже примерно 50 км (31 миль) жаркие условия с высоким давлением должны сдерживать дальнейшую сейсмичность. Мантия считается вязкой и неспособной к хрупким разломам. Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются на глубине до 670 км (420 миль). Для объяснения этого явления был предложен ряд механизмов, в том числе обезвоживание, неуправляемый нагрев и фазовый переход. Геотермический градиент может быть понижен там, где холодный материал с поверхности опускается вниз, увеличивая прочность окружающей мантии и позволяя землетрясениям происходить на глубине 400 км (250 миль) и 670 км (420 миль).
Давление в нижней части мантии составляет ~ 136 Г Па (1,4 млн атм ). [20] Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен выдерживать вес всего материала над ним. Однако считается, что вся мантия в течение длительного времени деформируется, как жидкость, с постоянной пластической деформацией, компенсируемой движением точечных, линейных и / или плоских дефектов через твердые кристаллы, составляющие мантию. Оценки вязкости верхней мантии колеблются от 10 19 до 10 24 Па · с , в зависимости от глубины, [18] температуры, состава, напряженного состояния и многих других факторов. Таким образом, верхняя мантия может течь очень медленно. Однако, когда к самой верхней части мантии прикладываются большие силы, она может стать слабее, и этот эффект считается важным для образования границ тектонических плит.
Исследование
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 океанского 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 Объединенного океанографического института по отбору глубинных проб Земли (JOIDES), консультативная группа которого состояла из 250 выдающихся ученых из академических институтов, государственных учреждений и частных предприятий со всего мира. Drilling Program океана (ODP) продолжил исследование с 1985 по 2003 год , когда он был заменен на комплексной программе океанического бурения (IODP). [21]
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. [22] [23] Относительно сложная попытка получить образцы мантии Земли была запланирована на конец 2007 года. [24] Миссия Chikyu Hakken попыталась использовать японское судно Chikyū для бурения скважин на глубину до 7000 м (23000 футов) под водой. морское дно. Это почти в три раза глубже, чем предыдущие океанические бурения .
В 2005 году был предложен новый метод исследования верхних слоев Земли на несколько сотен километров, 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. [25] 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 . [26]
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. [27]
Смотрите также
- Строение Земли
Рекомендации
- ^ a b Лоддерс, Катарина. (1998). Спутник планетолога . Фегли, Брюс. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 1-4237-5983-4. OCLC 65171709 .
- ^ «Домашняя страница PDS / PPI» . pds-ppi.igpp.ucla.edu . Источник 2021-01-29 .
- ^ «Глубоко | Земля» . НАСА Исследование Солнечной системы . Источник 2021-01-29 .
- ^ «Из чего состоит мантия Земли? - Вселенная сегодня» . Вселенная сегодня . 2016-03-26 . Проверено 24 ноября 2018 .
- ^ Стивен, Маршак (2015). Земля: Портрет планеты (5-е изд.). Нью-Йорк: WW Norton & Company. ISBN 9780393937503. OCLC 897946590 .
- ^ Расположение основания земной коры колеблется примерно от 10 до 70 километров. Океаническая кора обычно имеет толщину менее 10 километров. «Стандартная» континентальная кора имеет толщину около 35 километров, а большой корень земной коры под Тибетским плато имеет толщину около 70 километров.
- ^ а б Олден, Эндрю (2007). «Сегодняшняя мантия: экскурсия» . About.com . Проверено 25 декабря 2007 .
- ^ «Истрия в Интернете - Выдающиеся истрийцы - Андрия Мохоровичич» . 2007 . Проверено 25 декабря 2007 .
- ^ Берковичи, Дэвид; Карато, Сюн-ичиро (сентябрь 2003 г.). «Всемантийная конвекция и переходная зона водного фильтра». Природа . 425 (6953): 39–44. DOI : 10,1038 / природа01918 . ISSN 0028-0836 . PMID 12955133 . S2CID 4428456 .
- ^ Уоркман, Рея К .; Харт, Стэнли Р. (февраль 2005 г.). «Основные и микроэлементные составы обедненной мантии MORB (DMM)». Письма о Земле и планетах . 231 (1–2): 53–72. DOI : 10.1016 / j.epsl.2004.12.005 . ISSN 0012-821X .
- ^ Андерсон, Д.Л. (2007). Новая теория Земли . Издательство Кембриджского университета. п. 301 . ISBN 9780521849593.
- ^ Мураками, Мотохико; Охиси, Ясуо; Хирао, Наохиса; Хиросе, Кей (май 2012 г.). «Перовскитовая нижняя мантия, полученная на основе данных о скорости звука при высоком давлении и высокой температуре». Природа . 485 (7396): 90–94. DOI : 10.1038 / nature11004 . ISSN 0028-0836 . PMID 22552097 . S2CID 4387193 .
- ^ Нетберн, Дебора. «То, что ученые обнаружили в ловушке в алмазе: лед, неизвестный на Земле» . latimes.com . Архивировано 12 марта 2018 года . Проверено 12 марта 2018 .
- ^ а б Катарина., Лоддерс (1998). Спутник планетолога . Фегли, Брюс. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1423759836. OCLC 65171709 .
- ^ Turcotte, DL; Шуберт, G (2002). «4». Геодинамика (2-е изд.). Кембридж, Англия, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр. 136 -7. ISBN 978-0-521-66624-4.
- ^ Луи, Дж. (1996). «Земля изнутри» . Университет Невады, Рино. Архивировано из оригинала на 2011-07-20 . Проверено 24 декабря 2007 .
- ^ Foulger, GR (2010). Пластины против плюмов: геологический спор . Вили-Блэквелл. ISBN 978-1-4051-6148-0.
- ^ a b Вальцер, Уве; Хендель, Роланд и Баумгарднер, Джон. Вязкость мантии и мощность конвективных нисходящих потоков . igw.uni-jena.de
- ^ Олден, Эндрю. "Конец D-Double-Prime Time?" . About.com . Проверено 25 декабря 2007 .
- ^ Бернс, Роджер Джордж (1993). Минералогические приложения теории кристаллического поля . Издательство Кембриджского университета. п. 354. ISBN 978-0-521-43077-7. Проверено 26 декабря 2007 .
- ^ «О ДСДП» . Проект глубоководного бурения.
- ^ Тан, Кер (2007-03-01). «Ученые изучат пропасть на дне Атлантического океана» . NBC News . Проверено 16 марта 2008 .
На следующей неделе группа ученых отправится в путешествие, чтобы изучить «открытую рану» на дне Атлантического океана, где глубокие недра Земли обнажены без какого-либо покрытия коркой.
- ^ «Отсутствие земной коры в Средней Атлантике» . Science Daily . 2007-03-02 . Проверено 16 марта 2008 .
Ученые Кардиффского университета вскоре (5 марта) отправятся в плавание, чтобы исследовать поразительное открытие в глубинах Атлантики.
- ^ «Япония надеется предсказать« Большого »с путешествием к центру Земли» . PhysOrg.com . 2005-12-15. Архивировано из оригинала на 2005-12-19 . Проверено 16 марта 2008 .
В четверг официальные лица заявили, что амбициозный проект под руководством Японии по углублению поверхности Земли, чем когда-либо прежде, станет прорывом в обнаружении землетрясений, включая ужасное «большое» Токио.
- ^ Ojovan М.И., Гибб FGF, Полуэктов П.П., Емец EP 2005 Зондирование внутренних слоев Земли с самонакачивающимися тонет капсул . Атомная энергия , 99, 556–562.
- ^ Ойован М.И., Гибб Ф.Г.Ф. «Изучение земной коры и мантии с использованием самопускающихся, радиационно-нагретых, зондов и мониторинга акустической эмиссии». Глава 7. В: Исследования ядерных отходов: размещение, технология и обработка , ISBN 978-1-60456-184-5 , редактор: Арнольд П. Латтефер, Nova Science Publishers, Inc., 2008 г.
- ^ Калифорнийский университет - Дэвис (2009-06-15). Суперкомпьютер дает первое представление о недрах ранней магмы Земли . ScienceDaily . Проверено 16 июня 2009.
Внешние ссылки
- Крупнейшие раскопки: Япония строит корабль, чтобы пробурить мантию Земли - Scientific American (сентябрь 2005 г.)
- Информация о проекте Mohole