Мантия земли

 Мантия и океаническая кора

Мантию можно подразделить на три главные сейсмические области, которые в целом концентричны с земной поверхностью; верхнюю мантию, переходную зону (с аномальными градиентами скоростей) и нижнюю мантию. Значения плотностей для этих областей показаны на рисунке. Для верхних 400 км мантии характерны весьма низкие плотностные градиенты, а в переходной зоне имеются участки резкого возрастания плотности; глубже 1050 км находится обширная зона низких градиентов плотности, распространяющаяся почти до границы ядра (на глубине 2885 км), за исключением, возможно, еще одной переходной зоны непосредственно в подошве мантии.

Минеральный и химический составы мантии известны далеко не так хорошо, как плотность

Минеральный и химический составы мантии известны далеко не так хорошо, как плотность, но некоторые сведения можно получить из ограничений, налагаемых физическими характеристиками, из данных по метеоритам и из геологических материалов.

1. Физические ограничения используются для того, чтобы определить, какие типы горных пород могут существовать на глубине. Кроме плотности, необходимо учитывать тесно связанный с ней параметр — литостатическое давление (т.е. давление, производимое весом вышележащих пород). Для суждения о проблемах, связанных с плавлением и конвекцией, важна также температура. Если известны давление и температура внутри мантии, а значит, и связанные с ними значения плотности, можно поставить на образцах предположительно мантийных пород физические эксперименты с тем, чтобы определить, насколько представительны эти породы для мантии. В последующем тексте упоминаются различные предположения о возможном составе вещества глубокой мантии, причем плотность дается по измерениям в поверхностных условиях (плотность при «нулевом» давлении).
2. Данные по метеоритам позволяют проверить предположения о возможных составах вещества. Исходя из хондритовой модели Земли, первоначальную мантию Земли можно уподобить силикатным фазам хондритов. В совокупности с теорией распределения элементов по их электронным свойствам  это накладывает дополнительные ограничения на валовой состав и на характер изменения состава с глубиной.
3. Геологические материалы, определенно касающиеся мантии, имеют ключевое значение. Среди мантийных пород, которые можно найти на земной поверхности, главную роль играют продукты плавления — вулканические базальты — и содержащиеся в них включения (ксенолиты, обломки) предположительно мантийного материала. Связь между возможным составом мантии и продуктами ее плавления устанавливается методами экспериментальной петрологии, позволяющими воспроизвести температуры и давления, характерные по меньшей мере для верхних 600 км мантии. Глубина источников базальтов вполне укладывается в этот интервал, как это можно установить по землетрясениям, связанным с вулканическими извержениями

Еще один вид сведений геологического характера дает изучение кимберлитовых трубок

Еще один вид сведений геологического характера дает изучение кимберлитовых трубок, уходящих на мантийные глубины, и офиолитов, включающих в себя породы как океанической коры, так и верхней мантии, выведенные на поверхность в результате надвиговых движений.

Офиолиты имеют настолько важное значение, что совершенно невозможно рассматривать состав мантии в отрыве от океанической коры. Конечно, о верхних оболочках Земли сведений несравненно больше, чем о нижних частях мантии: здесь играют свою роль и доступность для отбора образцов, и возможность проведения эксперимента.Здесь мы рассмотрим указанные три плотностные зоны, что послужит вступлением к описанию особенностей динамики коры и мантии, а также характера их эволюции.

Верхняя мантия: эклогит или перидотит? Предварительная модель. Один из подходов к изучению состава мантии — задаться вопросом, из какого вещества могут образоваться базальты, слагающие почти всю океаническую кору и чрезвычайно широко распространенные на суше. Поиски такого исходного вещества легко сводятся к выбору между двумя типами пород: между перидотитами и эклогитами.

1. «Перидотит»-собирательное название обширной группы ультраосновных пород, в типичный состав которых входит около 80% оливина и 20% пироксена. Перидотиты встречаются в виде тектонических линз в некоторых молодых горноскладчатых поясах, на определенных океанических островах (главным образом как включения в базальтах) и в алмазоносных кимберлитовых трубках древних континентальных областей, таких, как Южная Африка и Западная Австралия. Кимберлитовые трубки, образовавшиеся в результате вулканических взрывов с выбросом твердого материала и газов, содержат включения богатого гранатами перидотита, некоторое количество эклогита (см. ниже) и нередко алмазы, причем все это заключено в тонкозернистом цементе, в котором преобладают слюдистые минералы.
2. Эклогит — метаморфическая порода, образующаяся в условиях высоких давлений и низких температур. По химическому составу эклогиты близки к базальтам. В минералогическом отношении эклогиты содержат примерно равные части глиноземистого (т.е. обогащенного алюминием) пироксена и плотного минерала — граната. Эклогиты (как и перидотиты) встречаются в молодых горных поясах, таких, как Альпы и Гималаи, и считаются метаморфизованными базальтами:

плагиоклазовый полевой шпат + пироксен + оливин базальт
гранат + глиноземистый пироксен + кварц. эклогит

Главное различие между эклогитом и перидотитом в мантии земли

Главное различие между эклогитом и перидотитом состоит в том, что эклогит содержит больше граната, тогда как в перидотите преобладает оливин; кроме того, эклогит содержит больше пироксенов и более обогащен кремнеземом.
В обоих случаях интересно рассмотреть природу границы между корой и мантией- сейсмического раздела Мохоровичича (М). Над этой границей океаническая кора имеет базальтовый состав, а континентальная кора резко отличается от нее химически и минералогически (в ней преобладают тоналиты и гранулиты.

Если (в соответствии с преобразованием  верхняя мантия имеет эклогитовый состав, то океанический раздел М представляет собой фазовый переход от низкотемпературной к высокотемпературной форме одного и того же базальтового состава. Наоборот, для перидотитовой верхней мантии океанический раздел М отражает изменение состава: от базальтовой, основной коры к перидотитовой, ультраосновной верхней мантии. В обоих случаях континентальный раздел М должен отражать изменение состава.
Подвергнув образцы горных пород испытаниям при соответствующих условиях давления и температуры, исследователи установили, что представление о фазовом переходе не согласуется с наблюдаемыми глубинами океанического раздела М. Чтобы оценить значение этих экспериментальных данных, надо иметь в виду, что фазовый переход должен был бы осуществляться при определенном давлении, а значит, на некоторой постоянной глубине, если бы он не был связан с разными значениями температурного градиента. Более высокие температуры, как правило, вызывают расширение и поэтому благоприятствуют существованию базальта с его низкой плотностью, тогда как более низкие температуры благоприятны для более плотного эклогита, если имеется необходимое давление.

Каковы же условия давления и температуры у раздела Мохоровичича и в верхней мантии?

Давление Р изменяется в зависимости от глубины плотности вышележащего материала. Если для простоты мы примем, что верхние несколько сотен километров Земли имеют среднюю плотность 3300 кг/м3, то получим
Р = 3,3 • 107hН/м2,
где глубина h выражена в километрах. Или же, пользуясь единицами, более привычными в геологии, можно написать:
Р = 0,33ft кбар.
Температурный градиент зависит от нескольких факторов, таких, как удельная тепло- генерация пород, их коэффициент теплопроводности и тип теплопереноса-конвекция или теплопроводность. Приповерхностные породы коры сравнительно более жесткие, чем более глубинные мантийные материалы, поэтому теплоперенос путем конвекции в них затруднен. Кроме того, в них содержится больше источников радиогенного тепла, чем в любых постулируемых мантийных породах; поэтому для коры характерны наиболее высокие температурные градиенты.

Значения температурных градиентов для неглубоко залегающих пород

Значения температурных градиентов для неглубоко залегающих пород (измеренные в буровых скважинах) лежат, как установлено, между 20 и 40°С/км, но такие значения нельзя экстраполировать на все 2900 км мантии. Помимо низкой теплогенерации мантийных пород и их пластических свойств мы знаем, что разумный предел для температуры внешнего ядра составляет около 4000°С . В глубокой мантии температурный градиент должен уменьшаться до уровня адиабатического градиента, т.е. примерно до 0,3°С/км. Такие криволинейные геотермы включают участки крутых градиентов в жестком, сильно сверхадиабатическом проводящем слое (кора и самые верхи мантии) и более пологие градиенты в слабо сверхадиабатическом, конвектирующем слое, расположенном ниже.
Помимо этих-ярко выраженных особенностей имеются также менее заметные различия между температурными градиентами в приповерхностных океанических и континентальных областях. Это связано с почти одинаковыми значениями равновесного океанического и континентального теплового потока. Поскольку известные континентальные породы характеризуются значительно более высокой теплогенерацией, чем большинство океанических пород, постулируется, что температуры в верхней мантии под океанами должны быть выше, чем под континентами.

Теперь мы можем вернуться к экспериментальным данным, касающимся фазового перехода базальт-эклогит. Точное положение этой границы с уверенностью не установлено, но чем выше температура на глубине, тем глубже осуществляется фазовый переход. Поэтому в районах с высоким геотермическим градиентом раздел М в случае эклогитовой верхней мантии будет глубже, чем в районах с более низким градиентом, таких, как континенты (точка А). Никакой корреляции такого рода междугеотермическим градиентом и глубиной сейсмического раздела Мохоровичича не обнаружено; кроме того, известно, что для появления эклогита необходимы более высокие давления, чем те, которые возможны у океанического раздела М. И последний «гвоздь в гроб» эклогитовой модели-необходимость 100%-ного плавления для получения химически идентичной базальтовой магмы. Полностью жидкий слой должен был бы совершенно гасить S-волны, чего в действительности не происходит. Наблюдаемое слабое затухание соответствует только небольшому (несколько процентов) частичному плавлению, поэтому оно свидетельствует в пользу перидотитовой модели. Таким образом, то обстоятельство, что эклогит по составу очень близок к базальту, отнюдь не означает, что он является исходным материалом для базальта; наоборот, это полностью исключает такую возможность!

Мантия земли видео