Мантията на Земята е най-важната част от нашата планета, тъй като именно тук са концентрирани повечето вещества. Той е много по-дебел от останалите компоненти и всъщност заема по-голямата част от пространството - около 80%. Учените са посветили по-голямата част от времето си на изучаването на тази част от планетата.

Структура

Учените могат само да спекулират за структурата на мантията, тъй като няма методи, които да отговорят недвусмислено на този въпрос. Но проведените изследвания позволиха да се предположи, че тази част от нашата планета се състои от следните слоеве:

• първата, външната, заема от 30 до 400 километра от земната повърхност;
• преходната зона, която се намира непосредствено зад външния слой - според учените тя навлиза на дълбочина около 250 километра;
• долният слой - дължината му е най-голяма, около 2900 километра. Започва веднага след преходната зона и отива направо в сърцевината.

Трябва да се отбележи, че в мантията на планетата има такива скали, които не са в земната кора.

Съединение

От само себе си се разбира, че е невъзможно да се установи точно от какво се състои мантията на нашата планета, тъй като е невъзможно да се стигне до там. Следователно всичко, което учените успяват да проучат, се случва с помощта на фрагменти от тази област, които периодично се появяват на повърхността.

Така че след поредица от изследвания беше възможно да се установи, че тази част от Земята е черна и зелена. Основният състав са скали, които се състоят от следните химични елементи:

• силиций;
• калций;
• магнезий;
• желязо;
• кислород.

На външен вид и в някои отношения дори по състав той е много подобен на каменните метеорити, които също периодично падат на нашата планета.

Веществата, които се намират в самата мантия, са течни, вискозни, тъй като температурата в тази област надвишава хиляди градуси. По-близо до земната кора температурата намалява. По този начин се получава определена циркулация - тези маси, които вече са се охладили, се спускат надолу, а тези, които са загряти до краен предел, се изкачват, така че процесът на "смесване" никога не спира.

Периодично такива нагорещени потоци попадат в самата кора на планетата, в което се подпомагат от активни вулкани.

Начини за учене

От само себе си се разбира, че слоевете, които са на голяма дълбочина, са доста трудни за изследване и не само защото няма такава техника. Процесът се усложнява и от факта, че температурата се повишава почти непрекъснато, като в същото време се увеличава и плътността. Следователно можем да кажем, че дълбочината на слоя е най-малкият проблем в случая.

Въпреки това учените успяха да напреднат в изследването на този въпрос. За изучаване на тази част от нашата планета геофизичните индикатори бяха избрани като основен източник на информация. Освен това по време на изследването учените използват следните данни:

• скорост на сеизмичните вълни;
• земно притегляне;
• характеристики и показатели за електропроводимост;
• изследването на магмени скали и фрагменти от мантията, които са редки, но все пак успяват да бъдат намерени на повърхността на Земята.

Що се отнася до последното, диамантите заслужават специално внимание на учените - според тях, изучавайки състава и структурата на този камък, можете да разберете много интересни неща дори за долните слоеве на мантията.

От време на време, но има мантийни скали. Тяхното проучване също ви позволява да получите ценна информация, но в една или друга степен все още ще има изкривявания. Това се дължи на факта, че в кората протичат различни процеси, които са малко по-различни от тези, които се случват в дълбините на нашата планета.

Отделно трябва да говорим за техниката, с която учените се опитват да получат оригиналните скали на мантията. Така през 2005 г. в Япония е построен специален кораб, който според разработчиците на проекта ще може да направи рекордно дълбок кладенец. В момента все още се работи, а началото на проекта е планирано за 2020 г. - няма толкова много за чакане.

Сега всички изследвания на структурата на мантията се извършват в рамките на лабораторията. Учените вече са установили точно, че долният слой на тази част на планетата почти изцяло се състои от силиций.

налягане и температура

Разпределението на налягането в мантията всъщност е двусмислено, както и температурният режим, но първо. Мантията представлява повече от половината от теглото на планетата или по-точно 67%. В районите под земната кора налягането е около 1,3-1,4 милиона атм, докато трябва да се отбележи, че в местата, където се намират океаните, нивото на налягане пада значително.

Що се отнася до температурния режим, данните тук са напълно двусмислени и се основават само на теоретични предположения. Така че в долната част на мантията се приема температура от 1500-10 000 градуса по Целзий. Като цяло учените предполагат, че нивото на температурата в тази част на планетата е по-близо до точката на топене.

Мантията на Земята -това е силикатна обвивка на Земята, съставена главно от перидотити - скали, състоящи се от силикати на магнезий, желязо, калций и др. Частичното топене на мантийните скали води до базалт и подобни стопилки, които образуват земната кора, когато се издигат на повърхността.

Мантията съставлява 67% от общата маса на Земята и около 83% от общия обем на Земята. Простира се от дълбочини 5-70 километра под границата със земната кора до границата с ядрото на дълбочина 2900 km. Мантията се намира в огромен диапазон от дълбочини и с увеличаване на налягането в веществото възникват фазови преходи, при които минералите придобиват все по-плътна структура. Най-значимата трансформация се случва на дълбочина 660 километра. Термодинамиката на този фазов преход е такава, че материята на мантията под тази граница не може да проникне през нея и обратно. Над границата от 660 километра е горната мантия, а отдолу, съответно, долната. Тези две части на мантията имат различен състав и физически свойства. Въпреки че информацията за състава на долната мантия е ограничена и броят на преките данни е много малък, може с увереност да се твърди, че нейният състав се е променил много по-малко от образуването на Земята, отколкото горната мантия, която е довела до земната кора.

Преносът на топлина в мантията става чрез бавна конвекция, чрез пластична деформация на минералите. Скоростите на движение на материята по време на мантийната конвекция са от порядъка на няколко сантиметра на година. Тази конвекция задвижва литосферните плочи. Конвекцията в горната мантия се случва отделно. Има модели, които предполагат още по-сложна структура на конвекция.

Сеизмичен модел на структурата на земята

Съставът и структурата на дълбоките черупки на Земята през последните десетилетия продължават да бъдат един от най-интригуващите проблеми на съвременната геология. Броят на преките данни по въпроса за дълбоките зони е много ограничен. В това отношение специално място заема минерален агрегат от кимберлитовата тръба на Лесото (Южна Африка), който се счита за представител на мантийните скали, намиращи се на дълбочина ~250 km. Ядрото, извлечено от най-дълбокия кладенец в света, пробит на полуостров Кола и достигащ 12 262 m, значително разшири научното разбиране за дълбоките хоризонти на земната кора - тънък близък до повърхността филм на земното кълбо. В същото време най-новите данни от геофизиката и експериментите, свързани с изучаването на структурните трансформации на минералите, вече позволяват да се моделират много характеристики на структурата, състава и процесите, протичащи в дълбините на Земята, познаването на които допринася за решаването на такива ключови проблеми на съвременната естествена наука като формирането и еволюцията на планетата, динамиката на земната кора и мантията, източниците на минерални ресурси, оценката на риска от погребване на опасни отпадъци на големи дълбочини, енергийните ресурси на Земята и др.

Широко известният модел на вътрешната структура на Земята (разделянето й на ядро, мантия и земна кора) е разработен от сеизмолозите Г. Джефрис и Б. Гутенберг през първата половина на 20 век. Решаващ фактор за това беше откриването на рязко намаляване на скоростта на преминаване на сеизмичните вълни вътре в земното кълбо на дълбочина 2900 km с радиус на планетата 6371 km. Скоростта на разпространение на надлъжните сеизмични вълни непосредствено над посочената граница е 13,6 km/s, а под нея - 8,1 km/s. Това е границата между мантията и ядрото.

Съответно радиусът на ядрото е 3471 km. Горната граница на мантията е сеизмичният участък на Мохоровичич (Moho, M), идентифициран от югославския сеизмолог А. Мохоровичич (1857-1936) през 1909 г. Той разделя земната кора от мантията. На тази граница скоростите на надлъжните вълни, преминали през земната кора, рязко нарастват от 6,7-7,6 до 7,9-8,2 km/s, но това се случва на различни нива на дълбочина. Под континентите дълбочината на участъка M (т.е. подметките на земната кора) е няколко десетки километра, а под някои планински структури (Памир, Андите) може да достигне 60 km, докато под океанските басейни, включително водния стълб, дълбочината е само 10-12 км. Като цяло земната кора в тази схема изглежда като тънка обвивка, докато мантията се простира в дълбочина до 45% от радиуса на земята.

Но в средата на 20-ти век в науката навлязоха идеи за по-дробна дълбока структура на Земята. Въз основа на нови сеизмологични данни беше възможно ядрото да се раздели на вътрешно и външно, а мантията на долна и горна. Този популярен модел се използва и днес. Началото му е поставено от австралийския сеизмолог К.Е. Булън, който в началото на 40-те години предлага схема за разделяне на Земята на зони, които той обозначава с букви: А - земната кора, Б - зона в дълбочинния интервал от 33-413 km, C - зона от 413- 984 km, D - зона от 984-2898 km, D - 2898-4982 km, F - 4982-5121 km, G - 5121-6371 km (център на Земята). Тези зони се различават по сеизмични характеристики. По-късно той разделя зона D на зони D "(984-2700 км) и D" (2700-2900 км). Понастоящем тази схема е значително модифицирана и само D "слоят се използва широко в литературата. Основната му характеристика е намаляване на градиентите на сеизмичната скорост в сравнение с надлежащата област на мантията.

Вътрешното ядро ​​с радиус 1225 km е твърдо и има висока плътност - 12,5 g/cm 3 . Външното ядро ​​е течно, плътността му е 10 g/cm 3 . На границата между ядрото и мантията има рязък скок не само в скоростта на надлъжните вълни, но и в плътността. В мантията тя намалява до 5,5 g/cm 3 . Слой D", който е в пряк контакт с външното ядро, е засегнат от него, тъй като температурите в ядрото значително надвишават температурите на мантията. На някои места този слой генерира огромни топлинни и масови потоци, насочени към повърхността на Земята през мантията топлинни и масови потоци, наречени струи.Те могат да се проявят на планетата под формата на големи вулканични региони, като например на Хавайските острови, Исландия и други региони.

Горната граница на слоя D" е неопределена; нейното ниво от повърхността на ядрото може да варира от 200 до 500 km или повече. По този начин можем да заключим, че този слой отразява неравномерен и различен по интензитет приток на енергия от ядрото в мантията регион.

Границата на долната и горната мантия в разглежданата схема е сеизмичният участък, лежащ на дълбочина 670 км. Има глобално разпространение и се обосновава от скока на сеизмичните скорости към тяхното нарастване, както и от увеличаването на плътността на материята на долната мантия. Този участък е и границата на промените в минералния състав на скалите в мантията.

Така долната мантия, затворена между дълбочините от 670 до 2900 км, се простира по радиуса на Земята за 2230 км. Горната мантия има добре фиксиран вътрешен сеизмичен разрез, преминаващ на дълбочина 410 km. При преминаване на тази граница отгоре надолу сеизмичните скорости рязко нарастват. Тук, както и на долната граница на горната мантия, се извършват значителни минерални трансформации.

Горната част на горната мантия и земната кора са слети заедно като литосфера, която е горната твърда обвивка на Земята, за разлика от водната и атмосферата. Благодарение на теорията за тектониката на литосферните плочи терминът "литосфера" стана широко разпространен. Теорията предполага движението на плочи по протежение на астеносферата - омекотен, частично, вероятно, течен дълбок слой с намален вискозитет. Сеизмологията обаче не показва астеносфера, поддържана в космоса. За много области са идентифицирани няколко астеносферни слоя, разположени по вертикалата, както и тяхната прекъснатост по хоризонтала. Тяхното редуване е особено изразено в рамките на континентите, където дълбочината на поява на астеносферните слоеве (лещи) варира от 100 km до много стотици. Под океанските абисални депресии астеносферният слой лежи на дълбочина от 70–80 km или по-малко. Съответно долната граница на литосферата всъщност е неопределена и това създава големи трудности за теорията за кинематиката на литосферните плочи, което се отбелязва от много изследователи.

Съвременни данни за сеизмичните граници

С провеждането на сеизмологичните изследвания се създават предпоставки за набелязване на нови сеизмични граници. Глобалните граници се считат за 410, 520, 670, 2900 км, където нарастването на скоростите на сеизмичните вълни е особено забележимо. Наред с тях се разграничават междинни граници: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км. Освен това има указания на геофизиците за съществуването на граници 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 km. Н.И. Павленкова наскоро посочи граница 100 като глобална, която съответства на долното ниво на разделяне на горната мантия на блокове. Междинните граници имат различно пространствено разпределение, което показва страничната променливост на физическите свойства на мантията, от които те зависят. Глобалните граници представляват различна категория явления. Те съответстват на глобалните промени в околната среда на мантията по радиуса на Земята.

Маркираните глобални сеизмични граници се използват при изграждането на геоложки и геодинамични модели, докато междинните в този смисъл досега почти не са привличали внимание. Междувременно разликите в мащаба и интензивността на техните прояви създават емпирична основа за хипотези относно явления и процеси в дълбините на планетата.

Съставът на горната мантия

Проблемът за състава, структурата и минералните асоциации на дълбоки земни черупки или геосфери, разбира се, все още е далеч от окончателното решение, но новите експериментални резултати и идеи значително разширяват и детайлизират съответните идеи.

Според съвременните възгледи съставът на мантията е доминиран от сравнително малка група химични елементи: Si, Mg, Fe, Al, Ca и O. Предложените модели за състава на геосферите се основават предимно на разликата в съотношенията на тези елементи (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), както и разликите в съдържанието на Al и някои други по-редки елементи за дълбоки скали. В съответствие с химичния и минералогичен състав тези модели са получили наименованията си: пиролитни (основните минерали са оливин, пироксени и гранат в съотношение 4:2:1), пилогитни (основните минерали са пироксен и гранат, а пропорцията на оливин се редуцира до 40%) и еклогит, който, заедно с пироксен-гранатната асоциация, характерна за еклогитите, също съдържа някои по-редки минерали, по-специално Al-съдържащ кианит Al 2 SiO 5 (до 10 тегл. %). Въпреки това, всички тези петрологични модели се отнасят предимно до скали от горната мантия, простиращи се до дълбочини от ~670 km. По отношение на обемния състав на по-дълбоките геосфери се предполага само, че съотношението на оксиди на двувалентни елементи (MO) към силициев диоксид (MO / SiO 2) ~ 2, което е по-близо до оливин (Mg, Fe) 2 SiO 4, отколкото до пироксен (Mg, Fe) SiO 3 , а сред минералите преобладават перовскитни фази (Mg, Fe)SiO 3 с различни структурни изкривявания, магнезиовустит (Mg, Fe)O със структура от типа на NaCl и някои други фази в много по-малки количества .

Всички предложени модели са много обобщени и хипотетични. Пиролитният модел на доминираната от оливин горна мантия предполага, че нейният химически състав е много по-близък до този на цялата по-дълбока мантия. Напротив, пилогитният модел предполага съществуването на определен химичен контраст между горната и останалата част на мантията. По-специален екологичен модел позволява наличието на отделни екологични лещи и блокове в горната мантия.

Голям интерес представлява опитът за хармонизиране на структурно-минераложките и геофизичните данни, свързани с горната мантия. Предполага се от около 20 години, че увеличаването на скоростите на сеизмичните вълни на дълбочина от ~410 km е свързано главно със структурното пренареждане на оливин a-(Mg, Fe) 2 SiO 4 в wadsleyite b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 , придружен от образуването на по-плътна фаза с големи стойности на коефициентите на еластичност. Според геофизичните данни на такива дълбочини във вътрешността на Земята скоростта на сеизмичните вълни се увеличава с 3–5%, докато структурното пренареждане на оливина в вадслиит (в съответствие със стойностите на техните модули на еластичност) трябва да бъде придружено от увеличение в скоростите на сеизмичните вълни с около 13%. В същото време резултатите от експерименталните изследвания на оливин и оливин-пироксенова смес при високи температури и налягания показаха пълно съответствие между изчисленото и експерименталното увеличение на скоростите на сеизмичните вълни в интервала на дълбочина от 200-400 km. Тъй като оливинът има приблизително същата еластичност като моноклинните пироксени с висока плътност, тези данни трябва да показват липсата на силно еластичен гранат в подлежащата зона, присъствието на който в мантията неизбежно би причинило по-значително увеличение на скоростите на сеизмичните вълни. Тези идеи за безгранатовата мантия обаче влязоха в конфликт с петрологичните модели на нейния състав.

По този начин възникна идеята, че скокът в скоростите на сеизмичните вълни на дълбочина 410 km е свързан главно със структурното пренареждане на пироксенови гранати вътре в обогатените с Na части на горната мантия. Такъв модел предполага почти пълна липса на конвекция в горната мантия, което противоречи на съвременните геодинамични концепции. Преодоляването на тези противоречия може да се свърже с предложения наскоро по-пълен модел на горната мантия, който позволява включването на железни и водородни атоми в структурата на уодслиит.

Докато полиморфният преход на оливин към вадслейит не е придружен от промяна в химичния състав, в присъствието на гранат протича реакция, която води до образуването на вадслейит, обогатен с Fe в сравнение с първоначалния оливин. Освен това вадслиитът може да съдържа значително повече водородни атоми от оливина. Участието на Fe и H атоми в структурата на wadsleyite води до намаляване на неговата твърдост и съответно до намаляване на скоростите на разпространение на сеизмичните вълни, преминаващи през този минерал.

В допълнение, образуването на обогатен с Fe вадслейит предполага участието на по-голямо количество оливин в съответната реакция, която трябва да бъде придружена от промяна в химичния състав на скалите близо до раздел 410. Идеите за тези трансформации се потвърждават от съвременните глобални сеизмични данни. Като цяло минералогичният състав на тази част от горната мантия изглежда повече или по-малко ясен. Що се отнася до пиролитната минерална асоциация, нейната трансформация до дълбочини от ~ 800 km е проучена достатъчно подробно. В този случай глобалната сеизмична граница на дълбочина 520 km съответства на пренареждането на wadsleyite b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 в рингвудит - g-модификация на (Mg, Fe) 2 SiO 4 със структура на шпинел. Трансформацията на пироксен (Mg, Fe)SiO 3 гранат Mg 3 (Fe, Al, Si) 2 Si 3 O 12 се случва в горната мантия в по-широк диапазон на дълбочина. По този начин цялата относително хомогенна обвивка в интервала от 400-600 km на горната мантия съдържа главно фази със структурни типове гранат и шпинел.

Всички предложени понастоящем модели за състава на мантийните скали допускат, че те съдържат Al 2 O 3 в количество ~4 тегл. %, което се отразява и на спецификата на структурните трансформации. В същото време се отбелязва, че в някои области на композиционно хетерогенната горна мантия Al може да се концентрира в такива минерали като корунд Al 2 O 3 или кианит Al 2 SiO 5 , които при налягания и температури, съответстващи на дълбочини от ~ 450 км, се трансформира в корунд и стишовит е модификация на SiO 2, чиято структура съдържа рамка от SiO 6 октаедри. И двата минерала са запазени не само в долната мантия, но и по-дълбоко.

Най-важният компонент на химичния състав на зоната 400-670 км е водата, чието съдържание според някои оценки е ~0,1 тегл. % и чието присъствие се свързва предимно с Mg-силикати. Количеството вода, съхранявана в тази черупка, е толкова значително, че на повърхността на Земята тя би образувала слой с дебелина 800 m.

Състав на мантията под границата от 670 км

Изследванията на структурните преходи на минерали, проведени през последните две или три десетилетия с помощта на рентгенови камери с високо налягане, позволиха да се моделират някои характеристики на състава и структурата на геосферите по-дълбоко от границата на 670 km.

При тези експерименти изследваният кристал се поставя между две диамантени пирамиди (наковални), които при компресиране създават налягане, съизмеримо с налягането вътре в мантията и земното ядро. Въпреки това все още има много въпроси относно тази част от мантията, която представлява повече от половината от цялата вътрешност на Земята. В момента повечето изследователи са съгласни с идеята, че цялата тази дълбока (по-ниска в традиционния смисъл) мантия се състои главно от перовскитоподобна фаза (Mg,Fe)SiO 3 , която представлява около 70% от нейния обем (40% от обем на цялата Земя) и магнезиовиустит (Mg, Fe)O (~20%). Останалите 10% са стишовитни и оксидни фази, съдържащи Ca, Na, K, Al и Fe, чиято кристализация е разрешена в структурните типове илменит-корунд (твърд разтвор (Mg, Fe) SiO 3 -Al 2 O 3) , кубичен перовскит (CaSiO 3) и Ca-ферит (NaAlSiO 4). Образуването на тези съединения е свързано с различни структурни трансформации на минералите в горната мантия. В същото време една от основните минерални фази на относително хомогенна обвивка, разположена в интервала на дълбочина от 410–670 km, шпинелиден рингвудит, се трансформира в асоциация на (Mg, Fe)-перовскит и Mg-wustite на граница от 670 km, където налягането е ~24 GPa. Друг важен компонент на преходната зона, представител на семейството на гранатите, пиропът Mg 3 Al 2 Si 3 O 12, претърпява трансформация с образуването на ромбичен перовскит (Mg, Fe) SiO 3 и твърд разтвор на корунд-илменит ( Mg, Fe) SiO 3 - Al 2 O 3 при няколко високи налягания. Този преход е свързан с промяна в скоростите на сеизмичните вълни на границата на 850-900 км, съответстваща на една от междинните сеизмични граници. Трансформацията на андрадит сагарнет при по-ниски налягания от ~21 GPa води до образуването на друг важен Ca 3 Fe 2 3+ Si 3 O 12 компонент, споменат по-горе в долната мантия, кубичен саперовскит CaSiO 3 . Полярното съотношение между основните минерали на тази зона (Mg,Fe) - перовскит (Mg,Fe)SiO 3 и Mg-wustite (Mg, Fe)O варира в доста широк диапазон и на дълбочина ~1170 km при налягане от ~29 GPa и температури от 2000 -2800 0 C се променя от 2:1 до 3:1.

Изключителната стабилност на MgSiO 3 с ромбична перовскитна структура в широк диапазон от налягания, съответстващ на дълбочините на долната мантия, ни позволява да го считаме за един от основните компоненти на тази геосфера. Основата за това заключение бяха експериментите, по време на които проби от Mg-перовскит MgSiO 3 бяха подложени на налягане 1,3 милиона пъти по-високо от атмосферното налягане, като в същото време беше изложен лазерен лъч с температура около 2000 0 C към проба, поставена между диамантени наковални.По този начин ние симулирахме условията, които съществуват на дълбочини от ~2800 km, т.е. близо до долната граница на долната мантия. Оказало се, че нито по време на експеримента, нито след него минералът е променил структурата и състава си. Така L. Liu, както и E. Nittle и E. Zhanloz стигнаха до извода, че стабилността на Mg-перовскита ни позволява да го считаме за най-разпространения минерал на Земята, съставляващ, очевидно, почти половината от неговата маса.

Wustite F x O е не по-малко стабилен, чийто състав при условията на долната мантия се характеризира със стойността на стехиометричния коефициент x< 0,98, что означает одновременное присутствие в его составе Fe 2+ и Fe 3+ . При этом, согласно экспериментальным данным, температура плавления вюстита на границе нижней мантии и слоя D", по данным Р. Болера (1996), оценивается в ~5000 K, что намного выше 3800 0 С, предполагаемой для этого уровня (при средних температурах мантии ~2500 0 С в основании нижней мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300 0 С). Таким образом, вюстит должен сохраниться на этом рубеже в твердом состоянии, а признание фазового контраста между твердой нижней мантией и жидким внешним ядром требует более гибкого подхода и уж во всяком случае не означает четко очерченной границы между ними.

Трябва да се отбележи, че перовскитоподобните фази, преобладаващи на големи дълбочини, могат да съдържат много ограничено количество Fe, а повишените концентрации на Fe сред минералите на дълбоката асоциация са характерни само за магнезиовустит. В същото време, за магнезиовиустит, възможността за преход под въздействието на високи налягания на част от съдържащото се в него двувалентно желязо в тривалентно желязо, оставащо в структурата на минерала, с едновременното освобождаване на съответното количество от неутрално желязо, е доказано. Въз основа на тези данни Х. Мао, П. Бел и Т. Яги, служители на геофизичната лаборатория на Института Карнеги, излагат нови идеи за диференциацията на материята в дълбините на Земята. На първия етап, поради гравитационната нестабилност, магнезиевуститът потъва на дълбочина, където под въздействието на налягане част от желязото в неутрална форма се освобождава от него. Остатъчният магнезиовустит, характеризиращ се с по-ниска плътност, се издига до горните слоеве, където отново се смесва с перовскитоподобни фази. Контактът с тях е придружен от възстановяване на стехиометрията (т.е. цялостното съотношение на елементите в химичната формула) на магнезиовустита и води до възможността за повторение на описания процес. Новите данни позволяват донякъде да се разшири наборът от химически елементи, вероятни за дълбоката мантия. Например, стабилността на магнезита при налягания, съответстващи на дълбочини от ~900 km, обоснована от N. Ross (1997), показва възможното наличие на въглерод в неговия състав.

Идентифицирането на отделни междинни сеизмични граници, разположени под линията 670, корелира с данни за структурните трансформации на мантийните минерали, чиито форми могат да бъдат много разнообразни. Илюстрация на промяната в много свойства на различни кристали при високи стойности на физикохимичните параметри, съответстващи на дълбоката мантия, може да бъде, според R. Jeanlose и R. Hazen, пренареждането на йонно-ковалентните връзки на wuestite, записани по време на експерименти при налягания от 70 гигапаскала (GPa) (~1700 km).във връзка с металния тип междуатомни взаимодействия. Крайъгълният камък 1200 може да съответства на пренареждането на SiO 2 със структурата на стишовит в структурния тип CaCl 2 (ромбичен аналог на рутил TiO 2), а 2000 km - последващото му превръщане във фаза със структура, междинна между a-PbO 2 и ZrO 2 , характеризиращ се с по-плътно опаковане на силициево-кислородни октаедри (данни от L.S. Dubrovinsky et al.). Също така, като се започне от тези дълбочини (~ 2000 km), при налягания от 80–90 GPa е разрешено разлагането на перовскитоподобен MgSiO 3, придружено от увеличаване на съдържанието на периклаз MgO и свободен силициев диоксид. При малко по-високо налягане (~96 GPa) и температура 800 0 С се установява проява на политипия в FeO, свързана с образуването на структурни фрагменти от типа на никелин NiAs, редуващи се с антиникелови домени, в които Fe атомите са разположени в позициите на атомите As, а атомите O - в позициите на атомите Ni. Близо до D" границата, Al 2 O 3 с корундова структура се трансформира във фаза със структура на Rh 2 O 3, която е експериментално моделирана при налягания от ~100 GPa, т.е. на дълбочина от ~2200–2300 km. Преходът от високоспиново (HS) към нискоспиново (LS) състояние на Fe атоми в структурата на магнезиовустит, т.е. промяна в тяхната електронна структура. В тази връзка трябва да се подчертае, че структурата на wuestite FeO при високо налягане се характеризира с композиционна нестехиометрия, дефекти на атомно опаковане, политипия, а също и промяна в магнитното подреждане, свързано с промяна в електронната структура (HS => LS - преход) на Fe атоми. Отбелязаните характеристики ни позволяват да разглеждат вюстита като един от най-сложните минерали с необичайни свойства, които определят спецификата на дълбоките зони на Земята, обогатени с него в близост до D границата.

Сеизмологичните измервания показват, че както вътрешното (твърдо), така и външното (течно) ядро ​​на Земята се характеризират с по-ниска плътност в сравнение със стойността, получена на базата на модел на ядрото, състоящ се само от метално желязо със същите физикохимични параметри. Повечето изследователи отдават това намаляване на плътността на присъствието в ядрото на елементи като Si, O, S и дори O, които образуват сплави с желязо. Сред фазите, които са вероятни за такива "фаустовски" физикохимични условия (налягания ~250 GPa и температури 4000-6500 0 C), се наричат ​​Fe 3 S с добре познат структурен тип Cu 3 Au и Fe 7 S. Друга фаза се приема в ядрото е b-Fe, чиято структура се характеризира с четирислойна плътна опаковка на Fe атоми. Температурата на топене на тази фаза се оценява на 5000 0 С при налягане 360 GPa. Наличието на водород в ядрото отдавна е спорно поради ниската му разтворимост в желязо при атмосферно налягане. Въпреки това, скорошни експерименти (данни от J. Badding, H. Mao и R. Hamley (1992)) направиха възможно да се установи, че железен хидрид FeH може да се образува при високи температури и налягания и е стабилен при налягания над 62 GPa, което съответства на дълбочини ~1600 км. В тази връзка наличието на значителни количества (до 40 mol.%) водород в ядрото е напълно приемливо и намалява неговата плътност до стойности, съответстващи на сеизмологичните данни.

Може да се прогнозира, че новите данни за структурни промени в минералните фази на големи дълбочини ще позволят да се намери адекватна интерпретация на други важни геофизични граници, фиксирани в недрата на Земята. Общото заключение е, че при такива глобални сеизмични граници като 410 и 670 km има значителни промени в минералния състав на мантийните скали. Минерални трансформации се отбелязват и на дълбочини ~850, 1200, 1700, 2000 и 2200-2300 km, т.е. в долната мантия. Това е много важно обстоятелство, което позволява да се изостави идеята за неговата хомогенна структура.

От какво е изградена мантията на Земята?

Дълго време оливинът се смяташе за основния материал на мантията - добре познат жълтеникаво-зелен, маслинен и дори кафяв минерал, който е част от почти всички най-тежки скали на Земята, които някога са изригвали от недрата на земята с разтопена магма. Оливинът също се състои главно от каменни метеорити, които идват при нас на Земята от космоса.

Някои учени смятат, че това са останки от строителния материал, от който е изграден планетивключително нашата земя. Ако беше така... Колко проблеми и мистерии щяха да бъдат разрешени... Но засега само с косвени доказателства може да се говори за възможния състав и структура на веществото на мантията.

През 1936 г. известният английски физик и виден общественик Джон Бернал предполага, че в дълбините на земните недра в условиявисоки температури и налягания, кристалите на оливин се компресират, атомите се преопаковат и кристалите на друг, по-голям плътност.

Подобна идея е изразена по същото време от Владимир (Вартан) Никитович Лодочников. Той вярваше, че всички физически свойства на материята, намираща се в дълбините на Земята, трябва да се променят.

Учените започнаха да тестват оливин в лаборатории. Кубчета от жълто-зеления минерал се изстискват и нагряват, отново се нагряват и отново се изстискват. Оливинът под налягане беше много подходящ по своите сеизмични характеристики към веществото на мантията, но ... При налягане, съответстващо на дълбочина от около 400 километра, той се срути. Това означава, че само горната и частично средната мантия може да се състои от него. И какво е включено в състава на дъното? ..

Земната мантия е частта от геосферата, разположена между кората и ядрото. Той съдържа голяма част от цялото вещество на планетата. Изследването на мантията е важно не само от гледна точка на разбирането на вътрешната мантия.То може да хвърли светлина върху формирането на планетата, да даде достъп до редки съединения и скали, да помогне за разбирането на механизма на земетресенията и т.н. получаването на информация за състава и характеристиките на мантията не е лесно. Хората все още не знаят как да пробиват толкова дълбоки кладенци. Сега мантията на Земята се изучава главно с помощта на сеизмични вълни. А също и чрез моделиране в лабораторията.

Структура на Земята: мантия, ядро ​​и кора

Според съвременните концепции вътрешната структура на нашата планета е разделена на няколко слоя. Най-горният слой е земната кора, последвана от мантията и ядрото на Земята. Кората е твърда обвивка, разделена на океанска и континентална. Земната мантия е отделена от нея от т. нар. граница на Мохоровичич (на името на хърватския сеизмолог, установил нейното местоположение), която се характеризира с рязко увеличаване на скоростите на надлъжните сеизмични вълни.

Мантията съставлява около 67% от масата на планетата. Според съвременните данни той може да бъде разделен на два слоя: горен и долен. В първия се разграничава и слоят Голицин или средната мантия, която е преходна зона от горната към долната. Като цяло мантията се простира на дълбочина от 30 до 2900 km.

Ядрото на планетата, според съвременните учени, се състои главно от желязо-никелови сплави. Тя също е разделена на две части. Вътрешното ядро ​​е твърдо, радиусът му се оценява на 1300 км. Външен - течен, има радиус 2200 км. Между тези части се разграничава преходна зона.

Литосфера

Кората и горната мантия на Земята се обединяват от понятието "литосфера". Това е твърда черупка със стабилни и подвижни зони. Твърдата обвивка на планетата се състои от която, както се очаква, се движи през астеносферата - доста пластичен слой, вероятно вискозна и силно нагрята течност. Той е част от горната мантия. Трябва да се отбележи, че съществуването на астеносферата като непрекъсната вискозна обвивка не се потвърждава от сеизмологичните изследвания. Изследването на структурата на планетата ни позволява да идентифицираме няколко подобни слоя, разположени вертикално. В хоризонтална посока астеносферата, очевидно, постоянно се прекъсва.

Начини за изследване на мантията

Слоевете под земната кора са недостъпни за изследване. Огромната дълбочина, постоянното повишаване на температурата и увеличаването на плътността са сериозен проблем за получаване на информация за състава на мантията и ядрото. Въпреки това все още е възможно да си представим структурата на планетата. При изучаването на мантията геофизичните данни стават основни източници на информация. Скоростта на сеизмичните вълни, характеристиките на електрическата проводимост и гравитацията позволяват на учените да правят предположения за състава и други характеристики на долните слоеве.

В допълнение, известна информация може да бъде получена от фрагменти от скали на мантията. Последните включват диаманти, които могат да разкажат много дори за долната мантия. Скалите на мантията се срещат и в земната кора. Тяхното изследване помага да се разбере съставът на мантията. Те обаче няма да заменят проби, получени директно от дълбоки слоеве, тъй като в резултат на различни процеси, протичащи в земната кора, техният състав се различава от този на мантията.

Земна мантия: състав

Друг източник на информация за това каква е мантията са метеоритите. Според съвременните концепции хондритите (най-често срещаната група метеорити на планетата) са близки по състав до земната мантия.

Предполага се, че съдържа елементи, които са били в твърдо състояние или са влезли в твърдо съединение по време на формирането на планетата. Те включват силиций, желязо, магнезий, кислород и някои други. В мантията те се комбинират със силикати. Магнезиевите силикати са разположени в горния слой, количеството на железния силикат нараства с дълбочина. В долната мантия тези съединения се разпадат на оксиди (SiO 2 , MgO, FeO).

Особен интерес за учените представляват скали, които не се срещат в земната кора. Предполага се, че има много такива съединения (гроспидити, карбонатити и т.н.) в мантията.

Слоеве

Нека се спрем по-подробно на степента на слоевете на мантията. Според учените горната от тях заема диапазон от около 30 до 400 км оттам.След това има преходна зона, която отива по-дълбоко на още 250 км. Следващият слой е дъното. Неговата граница се намира на дълбочина около 2900 км и е в контакт с външното ядро ​​на планетата.

налягане и температура

Докато се придвижвате по-дълбоко в планетата, температурата се повишава. Мантията на Земята е под изключително високо налягане. В зоната на астеносферата влиянието на температурата надделява, така че тук веществото е в така нареченото аморфно или полуразтопено състояние. По-дълбоко под налягане става твърдо.

Изследвания на мантията и границата на Мохоровичич

Мантията на Земята преследва учените от доста дълго време. В лаборатории се провеждат експерименти върху скали, които вероятно са част от горния и долния слой, което ни позволява да разберем състава и характеристиките на мантията. Така японски учени установиха, че долният слой съдържа голямо количество силиций. Горната мантия съдържа водни запаси. Идва от земната кора и също прониква оттук до повърхността.

От особен интерес е повърхността на Мохоровичич, чиято природа не е напълно разбрана. Сеизмологичните изследвания показват, че на ниво 410 km под повърхността настъпва метаморфна промяна на скалите (те стават по-плътни), което се проявява в рязко увеличаване на скоростта на вълните. Предполага се, че базалтовите скали в района се трансформират в еклогит. В този случай плътността на мантията се увеличава с около 30%. Има и друга версия, според която причината за промяната в скоростта на сеизмичните вълни се крие в промяната в състава на скалите.

Чикю Хакен

През 2005 г. в Япония е построен специално оборудван кораб Chikyu. Мисията му е да направи рекордно дълбок кладенец на дъното на Тихия океан. Учените предлагат да се вземат проби от скалите на горната мантия и границата на Мохорович, за да се получат отговори на много въпроси, свързани със структурата на планетата. Реализацията на проекта е предвидена за 2020 г.

Трябва да се отбележи, че учените не просто са насочили вниманието си към океанските недра. Според проучвания дебелината на кората на дъното на моретата е много по-малка, отколкото на континентите. Разликата е значителна: под водния стълб в океана е необходимо да се преодолеят само 5 км до магмата в някои райони, докато на сушата тази цифра се увеличава до 30 км.

Сега корабът вече работи: взети са проби от дълбоки въглищни пластове. Изпълнението на основната цел на проекта ще позволи да се разбере как е устроена мантията на Земята, какви вещества и елементи съставляват нейната преходна зона, а също и да се установи долната граница на разпространение на живота на планетата.

Нашето разбиране за структурата на Земята все още е далеч от пълното. Причината за това е трудното проникване в червата. Въпреки това, технологичният прогрес не стои неподвижен. Напредъкът в науката предполага, че в близко бъдеще ще знаем много повече за характеристиките на мантията.

Учените не се съмняват, че нашата планета се състои от поне три структури: външната обвивка е кората, вътрешното ядро ​​е ядрото, а между тях лежи слой от земни скали - мантията.


Тя е значително по-дебела от кората и заема повече от 80% от целия обем на земното кълбо. Мантията започва на дълбочина около 30-50 км (под океаните) и много по-ниско - под континентите. На дълбочина около 30 000 км граничи с ядрото.

Как изучават структурата на Земята на такава голяма дълбочина?

Разбира се, подпочвата не е бездната на океана или космоса. Никакви експедиции или роботи не могат да бъдат изпращани навътре в планетата. Въпреки това са разработени методи, които ви позволяват да "погледнете" там. Има няколко начина да направите това.

1. Геофизични изследвания.Например, регистрирайте разпространението на вълни от земетресения. Докато тези вълни достигат например от Япония до Германия, те променят посоката и скоростта си повече от веднъж. Според слоевете, в които се движат по-бавно, в кои - по-бързо, може да се съди за структурата на тези слоеве, за техния състав.

2. Геоложки колекции.Експертите често могат да разграничат "камъчетата" по мястото на тяхното раждане. И така, наскоро беше възможно да се дешифрира биографията на шест диаманта чрез примеси. Някога малки парчета въглерод се спуснаха от кората в мантията и се „удавиха“ в нея. Чудовищният натиск ги превърна в, а възходящото течение ги отнесе в земната кора. Те се озоваха във вулканична скала, която след 200 милиона години хората извадиха от бразилска мина.

3. Експерименти.Представяйки си грубо условията в недрата на Земята, можете да ги възпроизведете в лаборатории и да разгледате резултатите.

4. Сондиране на свръхдълбоки кладенци.Вярно, досега най-дълбокият от тях, на полуостров Кола, е достигнал само 12 262 метра. Възможно е да се стигне до мантията чрез пробиване на океанското дъно - тук кората е много по-тънка. Това може да е по силите на вече създадените специално за такава работа сондажни кораби.

От какво е направена мантията? Какви са процесите в него?

За мантията може да се съди по нейните фрагменти, които са били изнесени на повърхността на сушата или долините на океанското дъно преди милиарди години. Предполага се, че мантията е зеленикаво-черна и се състои от скали, съдържащи силиций, магнезий, калций, желязо, кислород. По състав е подобен на. Някога, преди образуването на кората, това е била цялата повърхност на Земята.

Сега разпадането на радиоактивни вещества загрява ядрото и то предава топлината си на мантията. Температурата на най-долния му слой се измерва в хиляди градуси. Поради това скалите му са омекотени, колосалното налягане ги прави течни. Навън температурата на мантията постепенно спада. Охладените външни маси се спускат, затоплените вътрешни маси се издигат. Поради високия вискозитет скоростта на движение е ниска - до няколко десетки сантиметра годишно. Но този цикъл никога не спира. От време на време потоци от мантийна материя проникват в кората; вулканите подпомагат тези движения.

Защо е важно да се изучава мантията на Земята?

Мантията е далеч от нас (по-точно дълбоко), но, разбира се, засяга живота на хората и цялата природа около нас. Движенията в мантията карат огромните плочи кора, стоящи върху нея, които носят континентите, да се движат. Резултатът е известен – земетресения, вулканични изригвания и масово измиране на организми, раждане и умиране на острови, движение на континенти. Разбирайки процесите в мантията, ще получим шанс да предвидим глобални катастрофи.

Топлинните движения в мантията влияят върху появата на подземни топлинни зони. Представяйки си "поведението", ще бъде по-лесно да се намерят такива площи за изграждане на геотермални централи, горещи подземни води, метални руди. Да, и други минерали също.


Например, смяташе се, че горимият газ метан се образува от разлагаща се органична материя поради бактерии. Но не толкова отдавна група физици доказаха, че е обратното. Учените смесват вода, железен оксид и минерала калцит. Сместа се нагрява до 1000 ° C под налягане от 110 хиляди атмосфери и се получава метан! Това означаваше, че той може да се появи и в дълбините на мантията. Възможно е оттам да се издига в дебелината на кората. Така че тук трябва да потърсите натрупванията му и да го извлечете.