Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Верхняя мантия на Земле очень толстый слой породы внутри планеты, которая начинается непосредственно под кору (около 10 км (6,2 миль) в океане и около 35 км (22 миль) под континентами) и заканчиваются на верхняя часть нижней мантии на 670 км (420 миль). Температуры варьируются от примерно 200 ° C (392 ° F) на верхней границе с корой до примерно 900 ° C (1650 ° F) на границе с нижней мантией. Материал верхней мантии, который поднялся на поверхность, состоит примерно из 55% оливина , 35% пироксена и от 5 до 10% оксида кальция и минералов оксида алюминия, таких как плагиоклаз ,шпинель или гранат , в зависимости от глубины.

Сейсмическая структура [ править ]

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

Профиль плотности через Землю определяется скоростью сейсмических волн. Плотность постепенно увеличивается в каждом слое, в основном из-за сжатия породы на больших глубинах. При изменении состава материала происходят резкие изменения плотности. [1]

Верхняя мантия начинается сразу под корой и заканчивается наверху нижней мантии. Верхняя мантия заставляет тектонические плиты двигаться.

Кора и мантия различаются по составу, а литосфера и астеносфера - по изменению механических свойств. [2]

Вершина мантии определяется внезапным увеличением скорости сейсмических волн, которое впервые заметил Андрия Мохоровичич в 1909 году; эта граница теперь называется разрывом Мохоровича или «Мохо». [3]

Мохо определяет основание земной коры и колеблется от 10 км (6,2 мили) до 70 км (43 мили) ниже поверхности Земли. Океаническая кора тоньше континентальной и обычно имеет толщину менее 10 км (6,2 мили). Континентальная кора имеет толщину около 35 км (22 мили), но большой корень земной коры под Тибетским плато имеет толщину около 70 км (43 мили). [4]

Толщина верхней мантии составляет около 640 км (400 миль). Вся мантия имеет толщину около 2900 км (1800 миль), что означает, что верхняя мантия составляет лишь около 20% от общей толщины мантии. [4]

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

Граница между верхней и нижней мантией представляет собой разрыв длиной 670 км (420 миль). [2] Землетрясения на небольшой глубине являются результатом сдвигового разлома ; однако ниже примерно 50 км (31 миль) жаркие условия с высоким давлением препятствуют дальнейшей сейсмичности. Мантия вязкая и не подвержена разломам . Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются на глубине до 670 км (420 миль). [1]

Разрыв Лемана [ править ]

Разрыв Лемана происходит резкое увеличение P -волны и S -Волновую скорости на глубине 220 км (140 миль) [5] (Обратите внимание , что это другой «Леман разрыв» , чем между внутренними и внешними ядрами Земель помечены на изображении справа.)

Переходная зона [ править ]

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

Считается, что это происходит в результате перестройки зерен оливина с образованием более плотной кристаллической структуры в результате увеличения давления с увеличением глубины. [6] Ниже глубины 670 км (420 миль) из-за изменений давления минералы рингвудита превращаются в две новые более плотные фазы, бриджманит и периклаз. Это можно увидеть с помощью объемных волн от землетрясений , которые преобразуются, отражаются или преломляются на границе и предсказываются физикой минералов , поскольку фазовые изменения зависят от температуры и плотности и, следовательно, зависят от глубины. [6]

Перерыв 410 км [ править ]

Единственный пик наблюдается во всех сейсмологических данных на расстоянии 410 км (250 миль), что предсказывается единичным переходом от α- к β- Mg 2 SiO 4 (оливин к вадслеиту ). От склона Клаузиуса Мохоровичича , как ожидается , будет мельче в холодных регионах, таких как погружающейся плиты и глубже в более теплых регионах, таких как мантийных плюмов . [6]

670 км разрыв [ править ]

Это наиболее сложный разрыв, обозначающий границу между верхней и нижней мантией. Он появляется в предшественниках PP (волна, которая отражается от неоднородности один раз) только в определенных областях, но всегда проявляется в предшественниках SS. [6] Это видно как одиночные и двойные отражения в функциях приемника для преобразования P в S в широком диапазоне глубин (640–720 км, или 397–447 миль). Наклон Клапейрона предсказывает более глубокий разрыв в более холодных регионах и более мелкий разрыв в более горячих регионах. [6] Этот разрыв , как правило , связан с переходом от рингвудита к bridgmanite и периклаза . [7]Это термодинамически эндотермическая реакция, вызывающая скачок вязкости. Обе характеристики заставляют этот фазовый переход играть важную роль в геодинамических моделях. [8]

Другие нарушения [ править ]

Есть еще один крупный фазовый переход, предсказанный на расстоянии 520 км (320 миль) для перехода оливина (β в γ) и граната в пиролитовой мантии. [9] Это только время от времени наблюдается в сейсмологических данных. [10]

Были предложены другие неглобальные фазовые переходы на разной глубине. [6] [11]

Температура и давление [ править ]

Температуры варьируются от примерно 200 ° C (392 ° F) на верхней границе с корой до примерно 4000 ° C (7230 ° F) на границе ядро-мантия. [12] Самая высокая температура верхней мантии составляет 900 ° C (1650 ° F) [13] Хотя высокая температура намного превышает точки плавления мантийных пород на поверхности, мантия почти исключительно твердая. [14]

Огромное литостатическое давление, оказываемое на мантию, предотвращает плавление , потому что температура, при которой начинается плавление ( солидус ), увеличивается с давлением. [15] Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен выдерживать вес всего материала над ним. Считается, что вся мантия в течение длительного времени деформируется, как жидкость, с постоянной пластической деформацией.

Наивысшее давление в верхней мантии составляет 24,0 ГПа (237 000 атм) [13] по сравнению с давлением в нижней части мантии, которое составляет 136 ГПа (1,340 000 атм). [12] [16]

Оценки вязкости верхней мантии составляют от 10 19 до 10 24 Па · с , в зависимости от глубины, [17] температуры, состава, напряженного состояния и многих других факторов. 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 .

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. [17]

Движение [ править ]

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. [3]

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 .

Минеральный состав [ править ]

Сейсмических данных недостаточно для определения состава мантии. Наблюдения за горными породами, обнаженными на поверхности, и другие свидетельства показывают, что верхняя мантия состоит из основных минералов оливина и пироксена и имеет плотность около 3,33 г / см 3 (0,120 фунт / куб. Дюйм) [1]

Верхняя мантия материал , который пришел на поверхность состоит из около 55% оливина и пироксена 35% и от 5 до 10% от оксида кальция и оксида алюминия . [1] Верхняя мантия состоит преимущественно из перидотита , состоящего в основном из различных соотношений минералов оливина, клинопироксена , ортопироксена и глиноземистой фазы. [1] Глиноземистая фаза - плагиоклаз в самой верхней мантии, затем шпинель и затем гранат ниже ~ 100 км. [1] Постепенно через верхнюю мантию пироксены становятся менее стабильными и превращаются в мажоритный гранат .

Эксперименты с оливинами и пироксенами показывают, что эти минералы изменяют структуру по мере увеличения давления на большей глубине, и это объясняет, почему кривые плотности не являются идеально гладкими. Когда происходит преобразование в более плотную минеральную структуру, сейсмическая скорость резко возрастает и создает разрыв. [1]

В кровле переходной зоны оливин претерпевает изохимические фазовые переходы в вадслеит и рингвудит . В отличие от номинально безводного оливина, эти полиморфы оливина высокого давления обладают большой способностью удерживать воду в своей кристаллической структуре. Это привело к гипотезе о том, что переходная зона может содержать большое количество воды. [18]

В недрах Земли оливин встречается в верхней мантии на глубинах менее 410 км, а рингвудит, как предполагается, присутствует в переходной зоне на глубине от 520 до 670 км. Разрывы сейсмической активности на глубине около 410 км, 520 км и на глубине 670 км были приписаны фазовым изменениям с участием оливина и его полиморфов .

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.

Кимберлиты взрываются из недр земли и иногда несут обломки горных пород. Некоторые из этих ксенолитических фрагментов представляют собой алмазы, которые могут появиться только из-за более высокого давления под коркой. Породы, которые идут с этим, - это ультраосновные конкреции и перидотит. [1]

Химический состав [ править ]

По составу очень похоже на корочку. Одно отличие состоит в том, что горные породы и минералы мантии, как правило, содержат больше магния и меньше кремния и алюминия, чем кора. Первые четыре наиболее распространенных элемента в верхней мантии - это кислород, магний, кремний и железо.

Состав верхней мантии Земли (истощенный MORB ) [19] [20]
СложныйМассовый процент
SiO 244,71
MgO38,73
FeO8,18
Al 2 O 33,98
CaO3,17
Cr 2 O 30,57
NiO0,24
MnO0,13
Na 2 O0,13
TiO 20,13
P 2 O 50,019
К 2 О0,006

Исследование [ править ]

Буровое судно Chikyu

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 .

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. [21] [22] [23]

Миссия Chikyu Hakken попыталась использовать японское судно Chikyū для бурения на глубину до 7000 м (23000 футов) ниже морского дна. 27 апреля 2012 года компания Chikyū пробурила скважину на глубину 7 740 метров (25 400 футов) ниже уровня моря, установив новый мировой рекорд глубоководного бурения. С тех пор этот рекорд побил злополучная мобильная морская буровая установка Deepwater Horizon , работающая на проспекте Тибр в месторождении Каньон Миссисипи в Мексиканском заливе США, когда она достигла мирового рекорда по общей длине вертикальной буровой колонны длиной 10 062 м (33 011 футов). [24] Предыдущий рекорд был установлен на американском судне Glomar Challenger , которое в 1978 году пробурило на глубине 7 049,5 метров (23 130 футов) ниже уровня моря.Марианская впадина . [25] 6 сентября 2012 года научное судно для глубоководного бурения Chikyū установило новый мировой рекорд, пробурив и взяв образцы горных пород с глубины более 2111 метров ниже морского дна у полуострова Симокита в Японии в северо-западной части Тихого океана.

В 2005 году был предложен новый метод исследования нескольких сотен самых верхних слоев Земли, состоящий из небольшого плотного тепловыделяющего зонда, который плавит свой путь сквозь кору и мантию, а его положение и продвижение отслеживаются с помощью генерируемых акустических сигналов. в скалах. [26] Зонд состоит из внешней вольфрамовой сферы диаметром около одного метра с внутренней частью из кобальта-60, действующей как радиоактивный источник тепла. Чтобы добраться до океанического Мохо, потребуется полгода . [27]

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. [28]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h Ленгмюр, Чарльз Х .; Брокер, Уолли (22 июля 2012 г.). Как построить пригодную для жизни планету: история Земли от Большого взрыва до человечества . С. 179–183. ISBN 9780691140063.
  2. ^ a b Rothery, David A .; Гилмор, Иэн; Сефтон, Марк А. (март 2018 г.). Введение в астробиологию . п. 56. ISBN 9781108430838.
  3. ^ a b Олден, Эндрю (2007). «Сегодняшняя мантия: экскурсия» . About.com . Проверено 25 декабря 2007 .
  4. ^ a b «Истрия в Интернете - Выдающиеся истрийцы - Андрия Мохоровичич» . 2007 . Проверено 25 декабря 2007 .
  5. ^ Уильям Лоури (1997). Основы геофизики . Издательство Кембриджского университета. п. 158. ISBN. 0-521-46728-4.
  6. ^ a b c d e f Фаулер, CMR; Фаулер, Конни Мэй (2005). Твердая Земля: Введение в глобальную геофизику . ISBN 978-0521893077.
  7. ^ Ито, E; Такахаши, Э (1989). «Постшпинелевые превращения в системе Mg2SiO4-Fe2SiO4 и некоторые геофизические последствия». Журнал геофизических исследований: Твердая Земля . 94 (B8): 10637–10646. Bibcode : 1989JGR .... 9410637I . DOI : 10,1029 / jb094ib08p10637 .
  8. ^ Fukao, Y .; Обаяши, М. (2013). «Погруженные плиты застаиваются наверху, проникают насквозь и застревают ниже разрыва в 660 км». Журнал геофизических исследований: Твердая Земля . 118 (11): 5920–5938. Bibcode : 2013JGRB..118.5920F . DOI : 10.1002 / 2013jb010466 .
  9. ^ Деусс, Арвен; Вудхаус, Джон (2001-10-12). «Сейсмические наблюдения за расщеплением разрыва средней переходной зоны в мантии Земли». Наука . 294 (5541): 354–357. Bibcode : 2001Sci ... 294..354D . DOI : 10.1126 / science.1063524 . ISSN 0036-8075 . PMID 11598296 . S2CID 28563140 .   
  10. ^ Егоркина, AV (1997-01-01). «Доказательства разрыва в 520 км». В Fuchs, Карл (ред.). Неоднородности верхней мантии по данным активной и пассивной сейсмологии . Серия НАТО ASI. Springer Нидерланды. С. 51–61. DOI : 10.1007 / 978-94-015-8979-6_4 . ISBN 9789048149667.
  11. ^ Хан, Амир; Дешам, Фредерик (28 апреля 2015 г.). Гетерогенная мантия Земли: геофизические, геодинамические и геохимические перспективы . Springer. ISBN 9783319156279.
  12. ^ a b Катарина., Лоддерс (1998). Спутник планетолога . Фегли, Брюс. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1423759836. OCLC  65171709 .
  13. ^ a b "Каковы три различия между верхней и нижней мантией?" . Наука . Проверено 14 июня 2019 .
  14. Перейти ↑ Louie, J. (1996). «Земля изнутри» . Университет Невады, Рино. Архивировано из оригинала на 2011-07-20 . Проверено 24 декабря 2007 .
  15. ^ 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.
  16. ^ Бернс, Роджер Джордж (1993). Минералогические приложения теории кристаллического поля . Издательство Кембриджского университета. п. 354. ISBN 978-0-521-43077-7. Проверено 26 декабря 2007 .
  17. ^ a b Вальцер, Уве. «Вязкость мантии и мощность конвективных нисходящих потоков» . Архивировано из оригинала на 2007-06-11.
  18. ^ Берковичи, Дэвид; Карато, Сюн-ичиро (сентябрь 2003 г.). «Всемантийная конвекция и переходная зона водного фильтра». Природа . 425 (6953): 39–44. Bibcode : 2003Natur.425 ... 39В . DOI : 10,1038 / природа01918 . ISSN 0028-0836 . PMID 12955133 . S2CID 4428456 .   
  19. ^ 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. Bibcode : 2005E и PSL.231 ... 53W . DOI : 10.1016 / j.epsl.2004.12.005 . ISSN 0012-821X . 
  20. Перейти ↑ Anderson, DL (2007). Новая теория Земли . Издательство Кембриджского университета. п. 301 . ISBN 9780521849593.
  21. ^ 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.
  22. ^ "Земная кора отсутствует 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.
  23. ^ «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.
  24. ^ «- - Исследуйте рекорды - Книгу рекордов Гиннеса» . Архивировано из оригинала на 2011-10-17.
  25. ^ "Японский зонд глубоководного бурения устанавливает мировой рекорд" . Звезда Канзас-Сити . Ассошиэйтед Пресс. 28 апреля 2012 года Архивировано из оригинала 28 апреля 2012 года . Проверено 28 апреля 2012 года .
  26. ^ Ojovan М.И., Гибб FGF, Полуэктов П.П., Емец EP 2005 Зондирование внутренних слоев Земли с самонакачивающимися тонет капсул . Атомная энергия, 99, 556–562.
  27. ^ 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. 
  28. ^ Калифорнийский университет - Дэвис (2009-06-15). Суперкомпьютер дает первое представление о недрах ранней магмы Земли . ScienceDaily . Проверено 16 июня 2009.