Мантія Землі – це найважливіша ділянка нашої планети, оскільки саме тут зосереджена більшість речовин. Він набагато товстіший, ніж інші компоненти і, по суті, займає більшу частину простору – близько 80%. Вивченню саме цієї частини планети вчені присвятили велику частину часу.

Будова

Будова мантії вчені можуть лише припускати, оскільки методів, які однозначно дали відповідь це питання, поки що немає. Проте, проведені дослідження дали можливість припустити, що ця ділянка нашої планети складається з таких верств:

• перший, зовнішній – займає від 30 до 400 кілометрів земної поверхні;
• перехідна зона, яка розташована відразу за зовнішнім шаром – за припущеннями вчених, вона йде вглиб приблизно на 250 кілометрів;
• нижній шар - його протяжність найбільша, близько 2900 кілометрів. Він починається відразу після перехідної зони і йде до ядра.

Слід зазначити, що у мантії планети є такі гірські породи, яких немає у земній корі.

склад

Зрозуміло, що точно встановити з чого складається мантія нашої планети, не можна, тому що дістатися туди неможливо. Тому все, що вдається вивчити вченим, відбувається за допомогою уламків цієї ділянки, які періодично з'являються на поверхні.

Так, після низки досліджень вдалося з'ясувати, що ця ділянка Землі чорно-зеленого кольору. Основний склад – це гірські породи, які складаються з таких хімічних елементів:

• кремній;
• кальцій;
• магній;
• залізо;
• кисень.

На вигляд, а в чомусь навіть і за складом, вона дуже схожа на кам'яні метеорити, які також періодично потрапляють на нашу планету.

Речовини, що знаходяться в самій мантії, рідкі, в'язкоподібні, оскільки температура на цій ділянці перевищує тисячі градусів. Ближче до кори Землі температура знижується. Таким чином, відбувається деякий кругообіг – ті маси, які вже охолонулися, спускаються вниз, а розігріті до краю потрапляють нагору, тому процес «змішування» ніколи не припиняється.

Періодично, такі розігріті потоки потрапляють у саму кору планети, у чому їм сприяють діючі вулкани.

Способи вивчення

Само собою зрозуміло, що шари, які знаходяться на великій глибині, досить складно вивчати і не тільки тому, що не такої техніки. Ускладнюється процес ще й тим, що температура майже завжди підвищується, а водночас зростає і щільність. Тому, можна сказати, що глибина знаходження шару є найменшою проблемою в цьому випадку.

Разом з тим, ученим все ж таки вдалося просунутися у вивченні цього питання. Для дослідження цієї ділянки нашої планети, головним джерелом інформації було обрано саме геофізичні показники. Крім цього, в ході дослідження вчені використовують і такі дані:

• швидкість сейсмічних хвиль;
• сила тяжіння;
• характеристики та показники електропровідності;
• вивчення магматичних порід і уламків мантії, які рідко, але все ж таки вдається знайти на поверхні Землі.

Що стосується останнього, то тут на особливу увагу вчених заслуговують саме алмази – на їхню думку, вивчаючи склад і будову цього каменю, можна з'ясувати багато цікавого навіть про нижні шари мантії.

Зрідка, але трапляються мантійні породи. Їх вивчення також дозволяє видобути цінну інформацію, але тією чи іншою мірою все ж таки будуть присутні спотворення. Зумовлено це тим, що в корі відбуваються різні процеси, які дещо відрізняються від тих, що відбуваються у глибинах нашої планети.

Окремо слід розповісти про техніку, за допомогою якої вчені намагаються дістати оригінальні породи мантії. Так, у 2005 році в Японії було зведено спеціальне судно, яке, на думку самих розробників проекту, зможе зробити рекордно глибоку свердловину. На даний момент роботи ще йдуть, а старт проекту намічено вже на 2020 рік - чекати залишилося не так вже й багато.

Зараз усі вивчення будови мантії відбуваються у межах лабораторії. Вчені вже точно встановили, що нижній шар цієї ділянки планети практично весь складається з кремнію.

Тиск та температура

Розподіл тиску в межах мантії неоднозначно, що як і температурного режиму, але про все по порядку. На мантії припадає більше половини ваги планети, а якщо сказати точніше, то 67%. У ділянках під земною корою тиск становить близько 1,3-1,4 млн.атм., у своїй, слід зазначити, що у місцях, де розташовані океани, рівень тиску істотно спадає.

Що ж до температурного режиму, то тут дані зовсім неоднозначні і базуються лише на теоретичних припущеннях. Так, у підошви мантії передбачається температура 1500-10 000 градусів за Цельсієм. В цілому, вчені припустили, що температурний рівень на даній ділянці планети ближчий до температури плавлення.

Мантія Землі -це силікатна оболонка Землі, складена переважно перидотитами - породами, що складаються з силікатів магнію, заліза, кальцію та ін.

Мантія становить 67 % усієї маси Землі та близько 83 % всього обсягу Землі. Вона простягається від глибин 5-70 кілометрів нижче за кордон із земною корою, до кордону з ядром на глибині 2900 км. Мантія розташована у величезному діапазоні глибин, і зі збільшенням тиску в речовині відбуваються фазові переходи, при яких мінерали набувають все більш щільної структури. Найбільше перетворення відбувається на глибині 660 кілометрів. Термодинаміка цього фазового переходу така, що мантійна речовина нижче цієї межі не може проникнути через неї, і навпаки. Вище за межу 660 кілометрів знаходиться верхня мантія, а нижче, відповідно, нижня. Ці дві частини мантії мають різний склад та фізичні властивості. Хоча відомості про склад нижньої мантії обмежені, і кількість прямих даних дуже невелика, можна впевнено стверджувати, що її склад з часів формування Землі змінився значно менше ніж верхньої мантії, що породила земну кору.

Теплоперенесення в мантії відбувається шляхом повільної конвекції за допомогою пластичної деформації мінералів. Швидкості руху речовини при мантійній конвекції становлять близько кількох сантиметрів на рік. Ця конвекція надає руху літосферні плити. Конвекція у верхній мантії відбувається окремо. Існують моделі, які передбачають ще складнішу структуру конвекції.

Сейсмічна модель будови землі

Склад і будова глибинних оболонок Землі останні десятиліття продовжують залишатися однією з найбільш інтригуючих проблем сучасної геології. Число прямих даних про речовину глибинних зон дуже обмежене. У цьому плані особливе місце займає мінеральний агрегат із кімберлітової трубки Лесото (Південна Африка), який розглядається як представник мантійних порід, що залягають на глибині 250 км. Керн, піднятий з найглибшої у світі свердловини, пробуреної на Кольському півострові і досягла позначки 12 262 м, істотно розширив наукові уявлення про глибинні горизонти земної кори - тонку плівку земної кулі. Разом з тим новітні дані геофізики та експериментів, пов'язаних з дослідженням структурних перетворень мінералів, вже зараз дозволяють змоделювати багато особливостей будови, складу та процесів, що відбуваються в глибинах Землі, знання яких сприяє вирішенню таких ключових проблем сучасного природознавства, як формування та еволюція планети. динаміка земної кори та мантії, джерела мінеральних ресурсів, оцінка ризику захоронення небезпечних відходів великих глибинах, енергетичні ресурси Землі та інших.

Широко відома модель внутрішньої будови Землі (розподіл її на ядро, мантію та земну кору) розроблена сейсмологами Г. Джефрісом та Б. Гутенбергом ще в першій половині XX століття. Вирішальним чинником при цьому виявилося різке зниження швидкості проходження сейсмічних хвиль усередині земної кулі на глибині 2900 км при радіусі планети 6371 км. Швидкість проходження поздовжніх сейсмічних хвиль безпосередньо над зазначеним кордоном дорівнює 136 км/с, а під ним - 81 км/с. Це і є межа мантії та ядра.

Відповідно радіус ядра становить 3471 км. Верхньою межею мантії служить сейсмічний розділ Мохоровичіча (Мохо, М), виділений югославським сейсмологом А. Мохоровичічем (1857-1936) ще 1909 року. Він відокремлює земну кору від мантії. На цьому рубежі швидкості поздовжніх хвиль, що пройшли через земну кору, стрибкоподібно збільшуються з 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, проте це відбувається на різних глибинних рівнях. Під континентами глибина розділу М (тобто підошви земної кори) становить перші десятки кілометрів, причому під деякими гірськими спорудами (Памір, Анди) може сягати 60 км, тоді як під океанськими западинами, включаючи і товщу води, глибина дорівнює лише 10-12 км. . Взагалі ж земна кора у цій схемі вимальовується як тонка шкаралупа, тоді як мантія поширюється на 45% земного радіуса.

Але в середині XX століття в науку увійшли уявлення про більш дрібну глибинну будову Землі. З нових сейсмологічних даних виявилося можливим розділити ядро ​​на внутрішнє і зовнішнє, а мантію - на нижню і верхню. Ця модель, що набула широкого поширення, використовується і в даний час. Початок їй поклав австралійський сейсмолог К.Є. Буллен, який запропонував на початку 40-х років схему поділу Землі на зони, які позначив буквами: А – земна кора, В – зона в інтервалі глибин 33-413 км, С – зона 413-984 км, D – зона 984-2898 км , Д – 2898-4982 км, F – 4982-5121 км, G – 5121-6371 км (центр Землі). Ці зони відрізняються сейсмічними характеристиками. Пізніше зону D він розділив на зони D" (984-2700 км) та D" (2700-2900 км). В даний час ця схема значно видозмінена і лише шар D широко використовується в літературі. Його головна характеристика - зменшення градієнтів сейсмічних швидкостей в порівнянні з вище областю мантії.

Внутрішнє ядро, що має радіус 1225 км, тверде і має велику щільність - 12,5 г/см 3 . Зовнішнє рідке ядро, його щільність 10 г/см 3 . На межі ядра і мантії відзначається різкий стрибок у швидкості поздовжніх хвиль, а й у щільності. У мантії вона знижується до 5,5 г/см3. Шар D", що знаходиться в безпосередньому зіткненні із зовнішнім ядром, відчуває його вплив, оскільки температури в ядрі значно перевищують температури мантії. Місцями даний шар породжує величезні, спрямовані до поверхні Землі крізь мантійні тепломасопотоки, які називаються плюмами. Вони можуть проявлятися вулканічних областей, як, наприклад, на Гавайських островах, Ісландії та інших регіонах.

Верхня межа шару D" невизначена; її рівень від поверхні ядра може варіювати від 200 до 500 км і більше. Таким чином, можна зробити висновок, що даний шар відображає нерівномірне і різноінтенсивне надходження енергії ядра в область мантії.

Кордоном нижньої і верхньої мантії в схемі, що розглядається, служить сейсмічний розділ, що лежить на глибині 670 км. Він має глобальне поширення та обґрунтовується стрибком сейсмічних швидкостей у бік їх збільшення, а також зростанням щільності речовини нижньої мантії. Цей розділ є також межею змін мінерального складу порід у мантії.

Таким чином, нижня мантія, укладена між глибинами 670 і 2900 км, тягнеться радіусом Землі на 2230 км. Верхня мантія має внутрішній сейсмічний розділ, що добре фіксується, що проходить на глибині 410 км. При переході цієї межі зверху донизу сейсмічні швидкості різко зростають. Тут, як і нижній межі верхньої мантії, відбуваються істотні мінеральні перетворення.

Верхню частину верхньої мантії і земну кору разом виділяють як літосферу, що є верхньою твердою оболонкою Землі, в протилежність гідро-і атмосфері. Завдяки теорії тектоніки літосферних плит термін «літосфера» набув широкого поширення. Теорія передбачає рух плит по астеносфері - розм'якшеному, частково, можливо, рідкому глибинному шарі зниженої в'язкості. Проте сейсмологія не показує витриманої просторі астеносфери. Для багатьох областей виявлено декілька астеносферних верств, розташованих по вертикалі, а також уривчастість їх по горизонталі. Особливо безперечно їх чергування фіксується в межах континентів, де глибина залягання астеносферних шарів (лінз) варіює від 100 км до багатьох сотень. Під океанськими абісальними западинами астеносферний шар лежить на глибинах 70-80 км. і менше. Відповідно нижня межа літосфери фактично є невизначеною, а це створює великі труднощі для теорії кінематики літосферних плит, що відзначається багатьма дослідниками.

Сучасні дані про сейсмічні межі

З проведенням сейсмологічних досліджень, з'являються передумови виділення нових сейсмічних кордонів. Глобальними прийнято вважати межі 410, 520, 670, 2900 км, де збільшення швидкостей сейсмічних хвиль особливо помітно. Поряд із ними виділяються проміжні кордони: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км. Додатково є вказівки геофізиків існування кордонів 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.І. Павленкова нещодавно як глобальна виділена межа 100, що відповідає нижньому рівню поділу верхньої мантії на блоки. Проміжні межі мають різне просторове поширення, що свідчить про латеральну мінливість фізичних властивостей мантії, від яких вони залежать. Глобальні кордони є іншою категорією явищ. Вони відповідають глобальним змінам мантійного середовища за радіусом Землі.

Зазначені глобальні сейсмічні кордони використовуються при побудові геологічних і геодинамічних моделей, тоді як проміжні в цьому сенсі поки що уваги майже не привертали. Тим часом відмінності в масштабах та інтенсивності їхнього прояву створюють емпіричну основу для гіпотез, що стосуються явищ і процесів у глибинах планети.

Склад верхньої мантії

Проблема складу, структури та мінеральних асоціацій глибинних земних оболонок чи геосфер, звичайно, ще далека від остаточного вирішення, проте нові експериментальні результати та ідеї суттєво розширюють та деталізують відповідні уявлення.

Відповідно до сучасних поглядів, у складі мантії переважає порівняно невелика група хімічних елементів: Si, Mg, Fe, Al, Ca та О. Пропоновані моделі складу геосфер в першу чергу ґрунтуються на відмінності співвідношень зазначених елементів (варіації Mg/(Mg + Fe) = 0 ,8-0,9;(Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а також на відмінностях у змісті Al і деяких інших більш рідкісних для глибинних порід елементів. Відповідно до хімічного та мінералогічного складу ці моделі отримали свої назви: піролітова (головні мінерали - олівін, піроксени та гранат щодо 4:2:1), піклогітова (головні мінерали - піроксен і гранат, а частка олівіну знижується до 40%) та еклогітова, в якій поряд з характерною для еклогітів піроксен-гранатової асоціацією присутні і деякі рідкісні мінерали, зокрема Al-містить кіаніт Al 2 SiO 5 (до 10 вага. %). Проте всі ці петрологічні моделі відносяться насамперед до пород верхньої мантії, що тягнеться до глибин ~670 км. Щодо валового складу глибших геосфер лише допускається, що відношення оксидів двовалентних елементів (МО) до кремнезему (МО/SiO 2 ) ~ 2, опиняючись ближче до олівіну (Mg, Fe) 2 SiO 4 ніж до піроксену (Mg, Fe) SiO 3 а серед мінералів переважають перовскітові фази (Mg, Fe)SiO 3 з різними структурними спотвореннями, магнезіовюстит (Mg, Fe)O зі структурою типу NaCl і деякі інші фази в значно менших кількостях.

Усі запропоновані моделі дуже узагальнені та гіпотетичні. Піролітова модель верхньої мантії з переважанням олівіну передбачає її значно більшу близькість по хімічному складу з усією глибшою мантією. Навпаки, піклогітова модель передбачає існування певного хімічного розмаїття між верхньою та іншою мантиями. Більш приватна еклогітова модель допускає присутність у верхній мантії окремих еклогітових лінз та блоків.

Великий інтерес представляє спроба узгодити структурно-мінералогічні та геофізичні дані, що належать до верхньої мантії. Вже близько 20 років допускається, що збільшення швидкостей сейсмічних хвиль на глибині ~410 км переважно пов'язане зі структурною перебудовою олівіну a-(Mg, Fe) 2 SiO 4 в вадслеит b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 , що супроводжується утворенням більш щільної фази з більшими значеннями коефіцієнтів пружності. Згідно з геофізичними даними, на таких глибинах у надрах Землі швидкості сейсмічних хвиль зростають на 3-5%, тоді як структурна перебудова олівіну в вадслеїт (відповідно до значень їх модулів пружності) повинна супроводжуватися збільшенням швидкостей сейсмічних хвиль приблизно на 13%. Водночас результати експериментальних досліджень олівіну та суміші олівін-піроксен при високих температурах та тисках виявили повний збіг розрахованого та експериментального збільшення швидкостей сейсмічних хвиль в інтервалі глибин 200-400 км. Оскільки олівін має приблизно таку ж пружність, як і високощільні моноклінні піроксени, ці дані повинні були б вказувати на відсутність у складі нижчої зони граната, що володіє високою пружністю, присутність якого в мантії неминуче викликала б більш значне збільшення швидкостей сейсмічних хвиль. Однак ці уявлення про безгранатову мантію суперечили петрологічним моделям її складу.

Так з'явилася ідея про те, що стрибок у швидкостях сейсмічних хвиль на глибині 410 км пов'язаний переважно зі структурною перебудовою піроксен-гранат усередині збагачених Na частин верхньої мантії. Така модель передбачає майже повну відсутність конвекції у верхній мантії, що суперечить сучасним геодинамічних уявлень. Подолання цих протиріч можна пов'язати з нещодавно запропонованою повнішою моделлю верхньої мантії, що допускає входження атомів заліза і водню в структуру вадслеїту.

У той час як поліморфний перехід олівіну у вадслеїт не супроводжується зміною хімічного складу, у присутності граната виникає реакція, що призводить до утворення вадслеїту, збагаченого Fe у порівнянні з вихідним олівіном. Більш того, вадслеїт може містити значно більше, ніж оливин атомів водню. Участь атомів Fe і Н у структурі вадслеїту призводить до зменшення її жорсткості і зменшення скоростей поширення сейсмічних хвиль, що проходять крізь цей мінерал.

Крім того, утворення збагаченого Fe вадслеїту передбачає залучення у відповідну реакцію більшої кількості олівіну, що має супроводжуватися зміною хімічного складу порід поблизу розділу 410. Ідеї про ці трансформації підтверджуються сучасними глобальносейсмічними даними. У цілому нині мінералогічний склад цієї частини верхньої мантії представляється більш менш ясним. Якщо говорити про піролітову мінеральну асоціацію, то її перетворення аж до глибин ~800 км досліджено досить детально. При цьому глобальному сейсмічному кордону на глибині 520 км відповідає перебудова вадслеїту b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 рингвудит - g-модифікацію (Mg, Fe) 2 SiO 4 зі структурою шпинелі. Трансформація піроксен (Mg, Fe)SiO 3 гранат Mg 3 (Fe, Al, Si) 2 Si 3 O 12 здійснюється у верхній мантії у ширшому інтервалі глибин. Таким чином, вся відносно гомогенна оболонка в інтервалі 400-600 км верхньої мантії переважно містить фази зі структурними типами гранату та шпинелі.

Всі запропоновані в даний час моделі складу мантійних порід допускають вміст Al 2 O 3 в кількості ~4 вагу. %, що також впливає специфіку структурних перетворень. При цьому зазначається, що в окремих областях неоднорідної за складом верхньої мантії Al може бути зосереджений у таких мінералах, як корунд Al 2 O 3 або кіаніт Al 2 SiO 5 , який при тисках і температурах, що відповідають глибин ~450 км, трансформується в корунд і Стішовіт - модифікацію SiO 2 структура якої містить каркас з SiO 6 октаедрів. Обидва цих мінералу зберігаються у низах верхньої мантії, а й глибше.

Найважливіший компонент хімічного складу зони 400-670 км – вода, вміст якої, за деякими оцінками, становить ~0,1 вага. % та присутність якої в першу чергу пов'язують із Mg-силікатами. Кількість запасеної в цій оболонці води настільки значно, що на поверхні Землі воно становило б шар потужністю 800 м-коду.

Склад мантії нижче за межу 670 км.

Проведені в останні два-три десятиліття дослідження структурних переходів мінералів з використанням рентгенівських камер високого тиску дозволили змоделювати деякі особливості складу та структури геосфер глибші за межу 670 км.

У цих експериментах досліджуваний кристал міститься між двома алмазними пірамідами (ковадлом), при стисканні яких створюються тиску, порівнянний з тисками всередині мантії та земного ядра. Проте щодо цієї частини мантії, частку якої припадає більше половини всіх надр Землі, як і залишається багато питань. В даний час більшість дослідників згодні з ідеєю про те, що вся ця глибинна (нижня в традиційному розумінні) мантія в основному складається з перовскитоподібної фази (Mg, Fe) SiO 3 , на частку якої припадає близько 70% її обсягу (40% обсягу всієї Землі), і магнезіовюститу (Mg, Fe)O (~20%). 10%, що залишилися, складають стиховіт і оксидні фази, що містять Ca, Na, K, Al і Fe, кристалізація яких допускається в структурних типах ільменіту-корунду (твердий розчин (Mg, Fe)SiO 3 -Al 2 O 3), кубічного перовскіту (CaSiO 3) і Саферита (NaAlSiO 4). Утворення цих сполук пов'язані з різними структурними трансформаціями мінералів верхньої мантії. При цьому одна з основних мінеральних фаз щодо гомогенної оболонки, що лежить в інтервалі глибин 410-670 км, - шпінелеподібний рингвудіт трансформується в асоціацію (Mg, Fe)-перовскіту та Mg-вюститу на рубежі 670 км, де тиск становить ~24 ГПа. Інший найважливіший компонент перехідної зони - представник сімейства граната піроп Mg 3 Al 2 Si 3 O 12 відчуває перетворення з утворенням ромбічного перовскіту (Mg, Fe)SiO 3 і твердого розчину корунду-ільменіту (Mg, Fe)SiO 3 - Al 2 O 3 при кілька більших тисків. З цим переходом пов'язують зміну швидкостей сейсмічних хвиль межі 850-900 км, відповідному однієї з проміжних сейсмічних кордонів. Трансформація Сагранату андрадиту при менших тисках ~21 ГПа призводить до утворення ще одного згаданого вище важливого компонента Ca 3 Fe 2 3+ Si 3 O 12 нижньої мантії - кубічного Саперовскіту CaSiO 3 . Полярне відношення між основними мінералами цієї зони (Mg, Fe) - перовскітом (Mg, Fe) SiO 3 і Mg-вюститом (Mg, Fe) O варіює в досить широких межах і на глибині ~1170 км при тиску ~29 ГПа та температурах 2000 -2800 0 Змінюється від 2: 1 до 3: 1.

Виняткова стабільність MgSiO 3 зі структурою типу ромбічного перовскіту у широкому діапазоні тисків, що відповідають глибинам низів мантії, дозволяє вважати його одним із головних компонентів цієї геосфери. Підставою для цього висновку послужили експерименти, в ході яких зразки Mg-перовскита MgSiO 3 були піддані тиску, що в 1,3 млн разів перевищує атмосферне, і одночасно на зразок, поміщений між алмазними ковадлами, впливали лазерним променем з температурою близько 200. Таким чином, змоделювали умови, що існують на глибинах ~2800 км, тобто поблизу нижньої межі нижньої мантії. Виявилося, що ні під час, ні після експерименту мінерал не змінив своєї структури та складу. Таким чином, Л. Ліу, а також Е. Ніттл і Е. Жанлоз дійшли висновку, згідно з яким стабільність Mg-перовскіту дозволяє розглядати його як найпоширеніший мінерал на Землі, що становить, мабуть, майже половину її маси.

Не меншою стійкістю відрізняється і вюстит Fe x O, склад якого за умов нижньої мантії характеризується значенням стехіометричного коефіцієнта х< 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.

Слід зазначити, що в переважаючих на великих глибинах перовскитоподібних фазах може міститися дуже обмежена кількість Fe, а підвищені концентрації Fe серед мінералів глибинної асоціації характерні лише для магнезіовюститу. При цьому для магнезіовюститу доведена можливість переходу під впливом високих тисків частини двовалентного заліза, що міститься в ньому, в тривалентне, що залишається в структурі мінералу, з одночасним виділенням відповідної кількості нейтрального заліза. На основі цих даних співробітники геофізичної лабораторії Іституту Карнегі Х. Мао, П. Белл і Т. Ягі висунули нові ідеї щодо диференціації речовини у глибинах Землі. На першому етапі завдяки гравітаційній нестійкості магнезіовюстит занурюється на глибину, де під впливом тиску з нього виділяється деяка частина заліза в нейтральній формі. Залишковий магнезіовюстит, що характеризується нижчою щільністю, піднімається у верхні шари, де знову змішується з перовскитоподібними фазами. Контакт з ними супроводжується відновленням стехіометрії (тобто цілісного відношення елементів у хімічній формулі) магнезіовюститу і призводить до можливості повторення описаного процесу. Нові дані дозволяють дещо розширити набір можливих глибокої мантії хімічних елементів. Наприклад, обгрунтована Н. Рос (1997) стійкість магнезиту при тисках, відповідних глибин ~900 км, вказує на можливу присутність вуглецю в її складі.

Виділення окремих проміжних сейсмічних кордонів, розташованих нижче за кордон 670, корелює з даними про структурні трансформації мантійних мінералів, форми яких можуть бути дуже різноманітними. Ілюстрацією зміни багатьох властивостей різних кристалів при високих значеннях фізико-хімічних параметрів, відповідних глибинної мантії, може служити, згідно з Р. Жанлозу і Р. Хейзену, зафіксована в ході експериментів при тисках 70 гігапаскалів (ГПа) (~1700 км) перебудова іонноковалентних у зв'язку із металевим типом міжатомних взаємодій. Рубіж 1200 може відповідати передбаченій на основі теоретичних квантово-механічних розрахунків і згодом змодельованої при тиску ~45 ГПа і температурі ~2000 0 З перебудові SiO 2 зі структурою стишовіту структурний тип CaCl 2 (ромбічний аналог рутила TiO 2), а 2 подальшому перетворенню у фазу зі структурою, проміжною між a-PbO 2 і ZrO 2 , що характеризується більш щільною упаковкою кремнійкисневих октаедрів (дані Л.С. Дубровинського зі співавторами). Також починаючи з цих глибин (~2000 км) при тисках 80-90 ГПа допускається розпад перовскитоподібного MgSiO 3 супроводжується зростанням вмісту периклазу MgO і вільного кремнезему. При дещо більшому тиску (~96 ГПа) та температурі 800 0 С встановлено прояв поліпії у FeO, пов'язаний з утворенням структурних фрагментів типу нікеліну NiAs, що чергуються з антинікеліновими доменами, в яких атоми Fe розташовані в позиціях атомів As, а атоми О - у позиціях атомів Ni. Поблизу кордону D" відбувається трансформація Al 2 O 3 зі структурою корунду в фазу зі структурою Rh 2 O 3 експериментально змодельована при тисках ~100 ГПа, тобто на глибині ~2200-2300 км. Використанням методу мессбауеровской спектроскопії при такому ж тиску з високоспинового (HS) в низькоспіновий стан (LS) атомів Fe в структурі магнезіовюститу, тобто зміна їх електронної структури, у зв'язку з цим слід підкреслити, що структура вюститу FeО при високому тиску характеризується нестехіометрією складу, дефектами атомної упаковки, політикою, а також зміною магнітного впорядкування, пов'язаного зі зміною електронної структури (HS => LS - перехід) атомів Fe. Зазначені особливості дозволяють розглядати вюстит як один із найскладніших мінералів з незвичайними властивостями, що визначають специфіку збагачених ним глибинних зон Землі поблизу кордону D".

Сейсмологічні виміри вказують на те, що і внутрішнє (тверде) і зовнішнє (рідке) ядра Землі характеризуються меншою щільністю порівняно зі значенням, одержуваним на основі моделі ядра, що складається тільки з металевого заліза за тих же фізико-хімічних параметрів. Це зменшення щільності більшість дослідників пов'язують із присутністю в ядрі таких елементів, як Si, O, S і навіть О, що утворюють сплави із залізом. Серед фаз, ймовірних для таких "фаустівських" фізико-хімічних умов (тиску ~250 ГПа та температури 4000-6500 0 С), називаються Fe 3 S з добре відомим структурним типом Cu 3 Au та Fe 7 S. Іншою передбачуваною в ядрі фазою є b-Fe, структура якої характеризується чотиришаровою щільною упаковкою атомів Fe. Температура плавлення цієї фази оцінюється 5000 0 С при тиску 360 ГПа. Присутність водню в ядрі тривалий час викликало дискусію через його низьку розчинність у залозі при атмосферному тиску. Однак недавні експерименти (дані Дж. Беддінга, Х. Мао і Р. Хемлі (1992)) дозволили встановити, що гідрид заліза FeH може сформуватися при високих температурах і тисках і виявляється стійким при тисках, що перевищують 62 ГПа, що відповідає глибинам ~1600 км . У зв'язку з цим присутність значних кількостей (до 40 мол. %) водню в ядрі цілком допустима і знижує його щільність до значень, що узгоджуються з даними сейсмології.

Можна прогнозувати, що нові дані про структурні зміни мінеральних фаз на великих глибинах дозволять знайти адекватну інтерпретацію та інших найважливіших геофізичних кордонів, що фіксуються в надрах Землі. Загальний висновок такий, що у таких глобальних сейсмічних рубежах, як 410 і 670 км, відбуваються значні зміни у мінеральному складі мантійних порід. Мінеральні перетворення відзначаються також і на глибинах ~850, 1200, 1700, 2000 та 2200-2300 км, тобто в межах нижньої мантії. Це дуже важлива обставина, що дозволяє відмовитися від уявлення про її однорідну структуру.

З чого складається мантія Землі?

Довгий час основним матеріалом мантії вважався олівін - добре знайомий багатьом жовтувато-зелений, оливковий, а то й коричневий мінерал, що входить до складу багатьох найважчих гірських порід Землі, що коли-небудь виливалися з надр земних розплавленої магмою. З олівіну в основному складаються і кам'яні метеорити, що прилітають до нас на Землю з космічного простору.

Деякі вчені вважають, що це залишки будівельного матеріалу, з якого утворилися планети, у тому числі наша Земля. Якби це було так… Скільки проблем і загадок вирішилося б… Але поки що лише за непрямими ознаками можна обговорювати можливий склад та будову речовини мантії.

У 1936 році відомий англійський фізик і видний громадський діяч Джон Берналл припустив, що в глибині земних надр умовахвисоких температур і тисків кристалики олівіну здавлюються, атоми переупаковуються і повинні виходити кристали іншої, більшої щільності.

Аналогічну ідею висловив у той же час і Володимир (Вартан) Микитович Лодочніков. Він вважав, що це фізичні властивості матерії, що у глибині Землі, повинні змінюватися.

Вчені почали випробовувати олівін у лабораторіях. Кубики жовто-зеленого мінералу стискали і нагрівали, знову нагрівали і знову стискали. Олівін під тиском дуже підходив за своїми сейсмічними характеристиками до речовини мантії, але… При тисках, що відповідали глибині приблизно 400 кілометрів, він руйнувався. Отже, з нього могла складатися лише верхня та частково середня мантія. А що ж входить до складу нижньої?

Мантія Землі - частина геосфери, розташована між корою та ядром. У ній перебуває велика частка всієї речовини планети. Вивчення мантії важливе не тільки з точки зору розуміння внутрішньої. Воно може пролити світло на формування планети, дати доступ до рідкісних сполук і пород, допомогти зрозуміти механізм землетрусів і отримати інформацію про склад і особливості мантії непросто. Бурити свердловини так глибоко люди поки що не вміють. Мантія Землі переважно зараз вивчається з допомогою сейсмічних хвиль. А також шляхом моделювання за умов лабораторії.

Будова Землі: мантія, ядро ​​та кора

Згідно з сучасними уявленнями, внутрішня будова нашої планети поділяється на кілька верств. Верхній - це кора, далі лежать мантія та ядро ​​Землі. Кора - тверда оболонка, що ділиться на океанічну та континентальну. Мантія Землі відокремлена від неї так званим кордоном Мохоровичича (на ім'я хорватського сейсмолога, який встановив її місцезнаходження), що характеризується стрибкоподібним зростанням швидкостей поздовжніх сейсмічних хвиль.

Мантія становить приблизно 67% маси планети. За сучасними даними, її можна розділити на два шари: верхній та нижній. У першому виділяють також шар Голіцина або середню мантію, що є перехідною зоною від верхньої до нижньої. Загалом мантія тягнеться на глибині від 30 до 2900 км.

Ядро планети, за поданням сучасних учених, складається в основному із залізонікелевих сплавів. Воно також поділяється на дві частини. Внутрішнє ядро ​​– тверде, його радіус оцінюється у 1300 км. Зовнішнє рідке, має радіус в 2200 км. Між цими частинами виділяють перехідну зону.

Літосфера

Кора та верхня мантія Землі поєднуються поняттям «літосфера». Це тверда оболонка, що має стабільні та рухливі області. Тверда оболонка планети складається з яких, як передбачається, переміщуються по астеносфері - досить пластичному шару, ймовірно, в'язку і сильно нагріту рідину, що представляє собою. Вона є частиною верхньої мантії. Слід зазначити, що існування астеносфери як безперервної в'язкої оболонки не підтверджується сейсмологічними дослідженнями. Вивчення структури планети дозволяє виділити кілька подібних верств, що розміщуються по вертикалі. У горизонтальному напрямку астеносфера, мабуть, постійно переривається.

Способи вивчення мантії

Шари, що лежать нижче за кору, малодоступні для вивчення. Величезна глибина, постійне збільшення температури та зростання щільності є серйозною проблемою для отримання інформації про склад мантії та ядра. Однак уявити структуру планети таки можна. Під час вивчення мантії головними джерелами інформації стають геофізичні дані. Швидкість поширення сейсмічних хвиль, особливості електропровідності та сили тяжіння дозволяють вченим робити припущення про склад та інші особливості нижчих шарів.

Крім того, деяку інформацію вдається отримати з фрагментів і мантійних порід. До останніх відносяться алмази, які можуть багато розповісти навіть про нижню мантію. Зустрічаються мантійні породи й у земній корі. Їхнє вивчення допомагає зрозуміти склад мантії. Однак вони не замінять зразків, здобутих безпосередньо з глибоких шарів, оскільки в результаті різних процесів, що протікають у корі, їхній склад відрізняється від мантійного.

Мантія Землі: склад

Ще одне джерело інформації про те, що є мантією, — метеорити. Згідно з сучасними уявленнями, хондрити (найпоширеніша на планеті група метеоритів) за складом близькі до земної мантії.

Передбачається, що вона містить елементи, які перебували у твердому стані або входили у тверду сполуку у процесі формування планети. До них відноситься кремній, залізо, магній, кисень та деякі інші. У мантії вони, об'єднуючись з утворюють силікати. У верхньому шарі розташовуються силікати магнію, із глибиною зростає кількість силікату заліза. У нижній мантії відбувається розкладання цих сполук на оксиди (SiO2, MgO, FeO).

Особливий інтерес для вчених представляють породи, що не зустрічаються у земній корі. Як передбачається, в мантії таких сполук (гроспідити, карбонатити тощо) чимало.

Шари

Зупинимося докладніше на протяжності шарів мантії. За уявленнями вчених, верхніх з них займає діапазон приблизно від 30 до 400 км. Далі розташовується перехідна зона, яка йде вглиб ще на 250 км. Наступний шар нижній. Його межа розташовується на глибині близько 2900 км і стикається із зовнішнім ядром планети.

Тиск та температура

З просуванням углиб планети, підвищується температура. Мантія Землі перебуває під впливом дуже високого тиску. У зоні астеносфери дія температури переважує, тому тут речовина знаходиться в так званому аморфному або напіврозплавленому стані. Глибше під впливом тиску воно стає твердим.

Дослідження мантії та кордону Мохоровичича

Мантія Землі не дає спокою вченим уже досить тривалий час. У лабораторіях над породами, що ймовірно входять до складу верхнього і нижнього шару проводяться експерименти, що дозволяють зрозуміти склад та особливості мантії. Так, японськими вченими було встановлено, що нижній шар містить велику кількість кремнію. У верхній мантії розміщуються запаси води. Вона надходить із земної кори, а також проникає звідси на поверхню.

Особливий інтерес має поверхня Мохоровичича, природа якої остаточно незрозуміла. Сейсмологічні дослідження припускають, що на рівні 410 км. під поверхнею відбувається метаморфічна зміна порід (вони стають більш щільними), що проявляється у різкому збільшенні швидкості проведення хвиль. Передбачається, що базальтові породи в районі перетворюються на еклогіт. При цьому відбувається збільшення густини мантії приблизно на 30%. Є й інша версія, за якою, причина зміни швидкості проведення сейсмічних хвиль у зміні складу порід.

Тікю Хаккен

У 2005 році в Японії було збудовано спеціально обладнане судно Chikyu. Його місія зробити рекордно глибоку свердловину на дні Тихого океану. Вчені припускають взяти зразки порід верхньої мантії та кордону Мохоровичича, щоб отримати відповіді на багато питань, пов'язаних із будовою планети. Реалізація проекту запланована на 2020 рік.

Слід зазначити, що вчені не просто так звернули свій погляд саме до океанічних надр. Згідно з дослідженнями, товщина кори на дні морів значно менша, ніж на континентах. Різниця суттєва: під товщею води в океані до магми потрібно подолати в окремих областях лише 5 км, тоді як на суші ця цифра збільшується до 30 км.

Наразі судно вже працює: отримано зразки глибоких вугільних пластів. Реалізація головної мети проекту дозволить зрозуміти, як влаштовано мантію Землі, які речовини та елементи становлять її перехідну зону, а також з'ясувати нижню межу поширення життя на планеті.

Наше уявлення про будову Землі поки що далеко не повне. Причина — складність проникнення в надра. Проте технічний прогрес не стоїть дома. Досягнення науки дозволяють припустити, що в недалекому майбутньому ми знатимемо про характеристики мантії набагато більше.

У вчених немає сумнівів у тому, що наша планета складається щонайменше з трьох структур: зовнішня оболонка – кора, внутрішня серцевина – ядро, а між ними якраз і лежить шар земних порід – мантія.


Вона помітно товстіша за кору і займає понад 80% всього обсягу земної кулі. Починається мантія на глибині приблизно 30-50 км (під океанами) і набагато нижче під континентами. На глибині близько 30 000 км вона межує із ядром.

Як вивчають будову Землі таких величезних глибинах?

Звичайно, надра – це не безодні океану чи космосу. Всередину планети не надіслати ні експедиції, ні роботів. Проте розроблено методи, які дозволяють туди "заглянути". Для цього є кілька шляхів.

1. Геофізичні дослідження.Наприклад, реєструвати поширення хвиль від землетрусів. Поки ці хвилі дістануться, наприклад, від Японії до Німеччини, вони неодноразово змінять свій напрямок і швидкість. По тому, в яких шарах вони йдуть повільніше, в яких - швидше, можна судити про будову цих шарів, їх склад.

2. Геологічні колекції.Фахівці часто вміють розрізняти «камінці» за місцем народження. Так, нещодавно вдалося за домішками розшифрувати біографію шести алмазів. Колись крихітні шматочки вуглецю опустилися з кори в мантію і потонули в ній. Жахливий тиск перетворив їх на , а висхідний потік поніс їх у кору. Вони опинилися у вулканічній породі, яку за 200 млн. років люди підняли з бразильської шахти.

3. Експерименти.Приблизно уявляючи собі умови у надрах Землі, можна відтворити в лабораторіях і подивитися на результати.

4. Буріння надглибоких свердловин.Щоправда, поки що найглибша з них на Кольському півострові досягла лише позначки 12 262 метри. Можливо, дістатися мантії вийде бурінням океанського дна – тут кора набагато тонша. Таке може виявитися під силу буровим суднам, які вже створені спеціально для подібних робіт.

З чого складається мантія? Які процеси у ній йдуть?

Про мантію можна судити з її уламків, які винесені на поверхню суші або долин океанського дна мільярди років тому. Припускають, що мантія зеленувато-чорна і складається з гірських порід, що містять кремній, магній, кальцій, залізо, кисень. За складом вона схожа на . Колись, до утворення кори, такою була вся поверхня Землі.

Нині розпад радіоактивних речовин підігріває ядро, і воно передає свій жар мантії. Температура найнижчого її шару вимірюється тисячами градусів. Тому його гірські породи розм'якшені, колосальний тиск робить їх текучими. Зовні температура мантії поступово падає. Охолоджені зовнішні маси опускаються, підігріті внутрішні – спливають. Через високу в'язкість швидкість руху невелика – до кількох десятків сантиметрів на рік. Але цей кругообіг ніколи не припиняється. Іноді потоки мантійної речовини впроваджуються в кору, цим рухам допомагають вулкани.

Чому важливо досліджувати мантію Землі?

Мантія знаходиться від нас далеко (точніше, глибоко), але, безумовно, впливає на життя людей і всієї навколишньої природи. Рухи в мантії змушують переміщатися величезні плити кори, що стоять на ній, які несуть континенти. Результат відомий – землетруси, виверження вулканів та масові вимирання організмів, народження та загибель островів, рух материків. Зрозумівши процеси в мантії, ми матимемо шанс передбачити глобальні катастрофи.

Теплові переміщення у мантії впливають на появу зон підземного тепла. Уявляючи її «поведінка», буде легше знаходити такі зони для будівництва геотермальних електростанцій, гарячі підземні води, металеві руди. Та й інші корисні копалини також.


Скажімо, вважалося, що горючий газ метан утворюється з органіки, що гниє, завдяки бактеріям. Але нещодавно група фізиків довела, що буває інакше. Вчені змішали воду, оксид заліза та мінерал кальцит. Суміш розігріли до 1000 ° С під тиском 110 000 атмосфер і отримали метан! Ці означало, що може з'являтися й у глибинах мантії. Не виключено, що звідти він піднімається до товщі кори. Так що тут потрібно шукати його скупчення та добувати.