Мантия земли - геосфера, расположенная между земной корой и ядром. Мантия составляет 83% объема и 67% всей массы Земли. В ней выделяют несколько слоев -- верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет четкой границы. Кроме того, верхнюю мантию еще подразделяют на несколько геосфер. Мантия занимает огромный диапазон глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру.
Согласно современным научным представлениям, состав земной мантии считается похожим на состав каменных метеоритов. В состав мантии преимущественно входят химические элементы, находившиеся в твёрдом состоянии или в твёрдых химических соединениях во время формирования Земли: кремний, железо, кислород, магний и др.
Верхняя мантия -- геосфера, расположенная между земной корой и нижней мантией Земли. Сверху отделена от коры поверхностью Мохоровичича. Нижняя граница верхней мантии нечёткая, находится на глубине около 900 км. Верхняя мантия играет важную роль в тектонических, магматические и метаморфических процессах, происходящих в земной коре, в образовании полезных ископаемых и т.д.
Субстрат. Субстрат - слой верхней мантии, располагающийся на астеносфере. Вместе с земной корой образует литосферу. Представляет собой жесткую платформу, на которой в процессе геологического развития, возникла земная кора. Предполагается, что эта геосфера имеет пониженную вязкость, в связи с чем, испытывает медленные перемещения (токи), под действием нижележащих структур. Именно с этим связывают причину перемещения литосферных плит. Кроме того, весь субстрат находится в состоянии изостазии, обуславливающем взаимное уравновешивание плит: при опускании одних, поднимаются другие.
Астеносфера. Скорости сейсмических волн в мантии растут с глубиной. Но начиная с глубины 80--100 км под материками и около 50 км под океанами они понижаются на протяжении около 100 км, потом начинают повышаться и на глубине около 400 км приходят опять к нормальным значениям, соответствующим общему ходу кривых на графике скоростей в этой части мантии. Особенно заметно понижение скорости поперечных волн. Эту зону пониженных скоростей сейсмических волн называют астеносферой или слоем Гутенберга.
Из-за большой температуры и давления, вещество не расплавляется, а переходит в аморфное состояние. Есть и другое предположение: в слое Гутенберга расплавились только самые легкоплавкие кристаллы, так что в твердом в общем веществе вкраплены отдельные капли жидкости. Из обоих предположений вытекает, что для астеносферы характерна пониженная вязкость, а это очень важно для объяснения многих процессов, протекающих на Земле.
Дело в том, что горные породы при большом давлении и температуре могут медленно течь, оставаясь твердыми, как течет ледник с горы. Очевидно, что перетекание материала при неравномерном давлении как раз и происходит в астеносфере. Считают, что изостазия возникает благодаря перетеканию материала в слое Гутенберга.
При измерении скорости распространения сейсмических волн, наблюдается, что поперечные упругие волны свободно проходят сквозь кору и всю мантию, а известно, что сквозь жидкость они не проходят. Это указывает на то, что ни в коре, ни в мантии нет сплошного жидкого слоя. Твердость верхней мантии подтверждается еще и тем, что в ней (как и в коре) наблюдаются очаги землетрясений -- в некоторых областях до глубины 700 км. Глубже землетрясений не бывает.
Слой Голицына. Оставшаяся часть верхней мантии под астеносферой называется слоем Голицына. В слое Голицына скорости сейсмических волн с глубиной растут особенно быстро. Это объясняется тем, что под действием очень большого давления, силикаты приобретают другую форму кристаллов, с более плотной упаковкой атомов. Это и приводит к сильному увеличению скоростей сейсмических волн. Одновременно должна возрастать и плотность, поэтому в слое Голицына предполагают быстрый рост плотности с глубиной.
Слой Голицына служит границей раздела между верхней и нижней мантией и располагающийся на глубине около 670 км.
Нижняя мантия - часть мантии, находящаяся под астеносферой и залегающая на глубинах 670 -- 2900 км. В нижней мантии скорости сейсмических волн растут с глубиной как раз так, как они должны расти за счет роста давления. Рост плотности идет только за счет упругого сжатия под давлением. На долю нижней мантии приходится 47% объема Земли и 41% ее массы. По сейсмическим данным в ней выделяют слои D" и D".
Мантийный слой D". Характеризуется дальнейшим нарастанием скоростей сейсмических колебаний (скорость поперечных упругих волн достигает 10,75-13,68 км/c). На рубеже 660 км скорость сейсмических волн аномально низка и имеет горизонтальные и вертикальные неоднородности. Это связывают с изменением состава мантии (переход минералов рингвудтита и мейжорита в первоскит, магнезиовюстит и оксидные фазы). Большинство исследователей принимает, что нижняя мантия на 70% сложена перовскитом.
Увеличение плотности с глубиной, начиная с 670 км, иногда связывают с увеличением содержания железа, т.е. допускается изменение химического состава мантии. Максимальная вязкость (прочность, добротность) мантийного вещества отмечается на глубине? 2000 км.
Граница раздела. Сама граница между слоями D" и D" выражена с различной чёткостью. На одних участках переход постепенный, на других -- резкий; на одних участках ниже этой границы сейсмические скорости возрастают, на других -- понижаются.
Мантийный слой D". Отличительной особенностью данного слоя является резко выраженная анизотропность. Она проявлена неровностью кровли, соответственно изменчивой мощностью, значительными вариациями сейсмических скоростей в вертикальном и горизонтальном направлениях, наличием в основании слоя зоны ультранизких скоростей.
Очень важное значение имеет открытие в основании слоя зоны низких сейсмических скоростей, обладающей мощностью 20-30 км. Предполагается, что вещество находится здесь в состоянии значительного частичного плавления, что определяет возможность интенсивного массо- и теплообмена между мантией и ядром Земли. Расплавленное железо из мантии стекает в ядро, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии и происходит разуплотнение мантии. Мантийный слой D" на 75 % сложен постперовскитом, который устойчив в широком диапазоне термодинамических условий и хорошо объясняет свойства слоя D"
Тепло- и массообмен осуществляются не только непосредственно вдоль границы мантия-ядро (2900 км), но и во всём объёме слоя D", который с одной стороны является местом зарождения масштабных восходящих потоков разогретого разуплотнённого мантийного вещества, а с другой -- местом захоронения погружающихся слэбов океанской литосферы.
Д.Ю. Пущаровский, Ю.М. Пущаровский (МГУ им. М.В. Ломоносова)
Состав и строение глубинных оболочек Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Число прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограниченно. В этом плане особое место занимает минеральный агрегат из кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель мантийных пород, залегающих на глубине ~250 км. Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12 262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке земного шара. Вместе с тем новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.
Сейсмическая модель строения Земли
Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра .
Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо , М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.
Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 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 Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D" (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.
Рис. 1. Схема глубинного строения Земли
Тем больше проводится сейсмологических исследований, тем больше появляется сейсмических границ. Глобальными принято считать границы 410, 520, 670, 2900 км, где увеличение скоростей сейсмических волн особенно заметно. Наряду с ними выделяются промежуточные границы: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км . Дополнительно имеются указания геофизиков на существование границ 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.И. Павленковой недавно в качестве глобальной выделена граница 100, отвечающая нижнему уровню разделения верхней мантии на блоки. Промежуточные границы имеют разное пространственное распространение, что свидетельствует о латеральной изменчивости физических свойств мантии, от которых они и зависят. Глобальные границы представляют иную категорию явлений. Они отвечают глобальным изменениям мантийной среды по радиусу Земли.
Отмеченные глобальные сейсмические границы используются при построении геологических и геодинамических моделей, в то время как промежуточные в этом смысле пока внимания почти не привлекали. Между тем различия в масштабах и интенсивности их проявления создают эмпирическую основу для гипотез, касающихся явлений и процессов в глубинах планеты.
Ниже рассмотрим, каким образом геофизические рубежи соотносятся с полученными в последнее время результатами структурных изменений минералов под влиянием высоких давлений и температур, значения которых соответствуют условиям земных глубин.
Проблема состава, структуры и минеральных ассоциаций глубинных земных оболочек или геосфер, конечно, еще далека от окончательного решения, однако новые экспериментальные результаты и идеи существенно расширяют и детализируют соответствующие представления.
Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4: 2: 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al2SiO5 (до 10 вес. %). Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии , простирающейся до глубин ~670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO2) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)2SiO4, чем к пироксену (Mg, Fe)SiO3, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO3 с различными структурными искажениями, магнезиовюстит (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.
Мантия (слои B/C/D):верхняя, нижняя мантия
Эта геосфера является самым крупным элементом Земли - занимает 83 % ее объема и составляет около 66 % ее массы, простирается на глубину приблизительно 2900 км от поверхности. Имеет достаточно сложное внутреннее строение, в составе которого выделяют несколько границ раздела. Сверху, от земной коры, ее отделяет поверхность Мохоровичича, открытая в 1909 г. югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) и названная в его честь (сокращенно ее называют границей Мохо или границей М); снизу она ограничивается поверхностью Вихерта- Гутенберга или просто границей Гутенберга (границей Г), открытой в 1914 году немецким сейсмологом Б. Гутенбергом (1889-1960). По значениям физических параметров мантия делится на верхнюю мантию (слой B, или слой Гутенберга, мощностью 400 км и слой C, до 800-1000 км) и нижнюю мантию (слой D до глубины 2900 км с переходным слоем D1 - от 2700 до 2900 км). Некоторые исследователи выделяют среднюю мантию (слой C, или слой Голицына, названный в честь российского сейсмолога Бориса Борисовича Голицына (1862-1916)).
Внутри слоя Гутенберга, на глубинах 70-150 км, наблюдается область со специфическими свойствами, где предположительно развиваются очаги плавления вещества мантии. Эту часть слоя Гутенберга также считают отдельной и называют астеносферой. Земная кора вместе с твердой частью слоя Гутенберга образует единый жесткий слой, лежащий на астеносфере, который называется литосферой, или каменной оболочкой Земли. По существу, литосфера является своеобразной геосферой, отделенной от остальной части мантии полужидким поясом астеносферы.
Состав вещества мантии представлен минералами, находящимися в различных модификациях в зависимости от температуры и давления на той или иной глубине, в основном силикатами, поэтому иногда мантию называют также силикатной оболочкой Земли.
Границы и слои внутри Земли носят названия в честь выдающихся сейсмологов, поскольку особенности глубинного строения Земли во многом были установлены именно с помощью сейсмических методов
Мантия с нижней границей на глубине 2920 км, распадающаяся на верхнюю (слой В с нижней границей на глубине 410 км), среднюю (слой С с глубинами залегания 410-1000 км) и нижнюю (слой D с глубинами 1000-2920 км, распадающийся на собственно нижнюю мантию D" с глубинами 1000-2700 км и переходный слой между мантией и ядром D" на глубинах 2700-2920 км). В слое В на глубинах около 100-300 км выделяется слой с пониженными жесткостью, скоростями се и cs и вязкостью, называемый астеносферой; вышележащая часть слоя В вместе с земной корой называется литосферой.
Глубина залегания
Объем мантии составляет 83% объема Земли, масса - 67% массы нашей планеты. Мантия делится на несколько геосфер, и прежде всего на верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет резкой границы, условно она проходит на глубине 900 км. Верхнюю мантию еще подразделяют на несколько сферических зон.
Агрегатное состояние, плотность
Плотность мантии увеличивается от 3,5 в верхних слоях до 5,5 г/см 3 на границе ядра. Температура вещества мантии соответственно увеличивается примерно от 500° до 3800°. Несмотря на высокую температуру, мантия находится в твердом состоянии. Граница между верхней и нижней мантией находится на глубине 900-1000 км от земной поверхности.
Под действием высокого давления мантия Земли, несмотря на высокую температуру, находится, вероятно, в кристаллическом состоянии, за исключением нижней части верхней мантии, где влияние температуры сказывается сильнее, чем действие давления. Эту область, находящуюся либо в расплавленном, либо в аморфном состоянии, называют астеносферой. Внешний слой твердой Земли, включающий земную кору и часть верхней мантии, носит название литосферы. Литосфера лежит на астеносфере и расколота примерно на 10 больших плит, по границам которых расположено подавляющее число очагов землетрясений. При появлении трещин в литосфере магма астеносферы изливается под действием высокого давления на поверхность Земли, сопровождая мощные извержения вулканов.
Химический состав
Верхняя мантия сложена ультраосновными породами. В основном это - гранатовые лерцолиты со средним составом: оливин - 64%, ортопироксен - 27%, клинопироксен - 3%, гранат - 6%. Рингвуд назвал эту породу пиролитом. Железистость, т.е. величина отношения FeO / (MgO + FeO), этих пород и минералов находится в пределах 0,07 - 0,12. Под континентами в мантийном пиролите отмечаются скопления эклогитов. С глубиной плотность вещества мантии увеличивается. На фоне плавного увеличения плотности имеются и скачки ее роста на глубинах 220, 400, 500, 670 и др. Плавный рост плотности обусловлен уменьшением межатомных расстояний в структурах минералов в связи с уменьшением размеров атомов в условиях большого литостатического давления, а так как анионы и катионы уменьшаются с разной скоростью, то на определенных глубинах скачком происходят фазовые структурные перестройки вещества минералов с исчезновением менее плотных структур и появлением более плотных. Например, на глубине 400 км исчезает оливин (Mg, Fe)2 SiO4, а из его атомов образуется вадслеит.
В химическом составе вещества верхней мантии содержатся (в вес.%) SiO2 - 45,16%, TiO2 - 0,22%, Al2O3 - 3,97%, MgO - 38,30%, FeO - 7,82%, CaO - 3,50%, Na2O - 0,33%, K2O - 0,03% и др. Видно, что анионом минералов мантии является кислород, а главными катионами - Si и Mg. Вещество мантии на 83,46% сложено силикатами магния, и на 99% - силикатами магния, железа, алюминия, кальция. На все остальные химические элементы приходится 1%. Поэтому главными петрогенными элементами мантии являются O, Si, Mg, второстепенными будут - Fe, Al, Ca, а все остальные элементы следует считать малыми элементами. Малые элементы мантии принято делить на совместимые и несовместимые. Совместимыми являются элементы, которые легко изоморфно замещают главные и второстепенные элементы в структурах минералов мантии. Например, Ni, Co хорошо совместимы с Mg и Fe, а Cr хорошо совместим с Al. Несовместимыми являются элементы, сильно отличающиеся по размеру, заряду, типу химической связи от главных и второстепенных элементов мантии и поэтому они не могут их изоморфно замещать в структурах минералов мантии. Например: K, Rb, Cs, Sn, W, Ta, Nb, Mo, P, Cu, Pb, As, Hg, Sb, Bi, B, C, S, U, Th и др.
Мантия расположена на глубинах от 20 (в среднем) до 2900 км Эта промежуточная оболочка занимает более 80% объема земного шара Она имеет несколько концентрических слоев, каждый из которых более или менее однороден: верхней (В), средний (С) и нижней (D) Верхняя мантия (20-400 км) состоит из дунит - силикатных пород, богатых магнием и железом Ниже дунит, возможно, переходит в уплотненную разновидность габбро. В средней мантии (400-1000 км) происходят самые физико-химические превращения минералов: нарушаются кристаллические решетки, сжимаются электронные оболочки, плотно утрамбовываются атомы. В нижней мантии (1000-2900 км) горные породы приобретают свойства металлов.
Верхняя мантия, или астеносфера, вместе с земной корой образуют тектоносферы Особенно большую роль в тектонических движениях играет астеносфера, вещество которой вследствие высоких температур (около 1200 ° С)) находится в размягченном состоянии Это подтверждается снижением скорости распространения сейсмических волн Астеносфера, имея пластические свойства и удерживая на себе твердые породы, неустойчива в механическом и физико-химическом отношениях и поэтому выступает источником зарождения восходящих и нисходящих движений вещества Установлено, что многие фокусов землетрясений расположены именно ту тут.
Считают, что мантия состоит из соединений оксидов кремния, магния и железа. В ней давление с глубиной возрастает, а плотность вещества изменяется от 3,3 г/см 3 в верхних слоях до 5,5 г/см 8 в нижних Несмотря на высокую температуру на границе ядра (около 3800 ° С), вещество в нижней мантии находится в твердом состоянии, потому что находится в условиях очень высокого давления.
Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей - от 7 до 8-8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына , располагающийся на глубине около 673 км.
В начале 20 века активно обсуждалась природа границы Мохоровичича. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такой реакции предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит , и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмических волн изменением состава пород - от относительно лёгких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Эта точка зрения сейчас является общепризнанной.
Отличие состава земной коры и мантии - следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть - кору и плотную и тугоплавкую мантию.
Источники информации о мантии
Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.
Мантию изучают по следующим данным:
- Геофизические данные. В первую очередь данные о скоростях сейсмических волн, электропроводности и силе тяжести.
- Мантийные расплавы - перидотиты , базальты , коматииты , кимберлиты , лампроиты , карбонатиты и некоторые другие магматические горные породы образуются в результате частичного плавления мантии. Состав расплава является следствием состава плавившихся пород, механизма плавления и физико-химических параметров процесса плавления. В целом, реконструкция источника по расплаву - сложная задача.
- Фрагменты мантийных пород, выносимые на поверхность мантийными же расплавами - кимберлитами, щелочными базальтами и др. Это ксенолиты , ксенокристы и алмазы . Алмазы занимают среди источников информации о мантии особое место. Именно в алмазах установлены самые глубинные минералы, которые, возможно, происходят даже из нижней мантии. В таком случае эти алмазы представляют собой самые глубокие фрагменты земли, доступные непосредственному изучению.
- Мантийные породы в составе земной коры. Такие комплексы в наибольшей степени соответствуют мантии, но и отличаются от неё. Самое главное различие - в самом факте их нахождения в составе земной коры, из чего следует, что они образовались в результате не совсем обычных процессов и, возможно, не отражают типичную мантию. Они встречаются в следующих геодинамических обстановках:
- Альпинотипные гипербазиты - части мантии, внедрённые в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах , от которых и произошло название.
- Офиолитовые гипербазиты - перидотиты в составе офиолитовых комплексов - частей древней океанической коры .
- Абиссальные перидотиты - выступы мантийных пород на дне океанов или рифтов .
Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно наблюдать геологические соотношения между различными породами.
Было объявлено, что японские исследователи планируют предпринять попытку пробурить океаническую кору до мантии. Начало бурения планировалось на 2007 год. Обсуждалась также возможность проникновения к границе Мохоровичича и в верхнюю мантию с помощью самопогружающихся вольфрамовых капсул, обогреваемых теплом распадающихся радионуклидов ().
Основной недостаток полученной из этих фрагментов информации - невозможность установления геологических соотношений между различными типами пород. Это кусочки мозаики. Как сказал классик [кто? ] , «определение состава мантии по ксенолитам напоминает попытки определения геологического строения гор по галькам, которые из них вынесла речка».
Состав мантии
Мантия сложена главным образом ультраосновными породами : перовскитами , перидотитами (лерцолитами , гарцбургитами , верлитами, пироксенитами , дунитами) и в меньшей степени основными породами - эклогитами .
Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты.
| Элемент | Концентрация | Оксид | Концентрация | |
|---|---|---|---|---|
| 44,8 | ||||
| 21,5 | SiO 2 | 46 | ||
| 22,8 | MgO | 37,8 | ||
| 5,8 | FeO | 7,5 | ||
| 2,2 | Al 2 O 3 | 4,2 | ||
| 2,3 | CaO | 3,2 | ||
| 0,3 | Na 2 O | 0,4 | ||
| 0,03 | K 2 O | 0,04 | ||
| Сумма | 99,7 | Сумма | 99,1 |
Мантия Земли, оболочка «твердой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли. Занимает 83% Земли (без атмосферы) по объему и 67% по массе. От земной коры ее отделяет поверхность Мохоровичича, на которой скорость продольных сейсмических волн при переходе из коры в Мантию Земли возрастает скачком с 6,7–7,6 до 7,9–8,2 км/сек; от ядра Земли мантию отделяет поверхность (на глубине около 2900 км), на которой скорость сейсмических волн падает с 13,6 до 8,1 км/сек. Мантия Земли делится на нижнюю и верхнюю мантию. Последняя, в свою очередь, делится (сверху вниз) на субстрат, слой Гутенберга (слой пониженных скоростей ) и слой Голицына (иногда называется средней мантией). У подошвы мантии Земли выделяется слой толщиной менее 100 км, в котором скорости сейсмических волн не растут с глубиной или даже слегка понижаются.
Предполагается, что мантия Земли слагается теми химическими элементами, которые во время образования Земли находились в твердом состоянии или входили в состав твердых химических соединений. Из этих элементов преобладают: О, Si, Mg, Fe. Согласно современным представлениям, состав мантии Земли считается близким к составу каменных метеоритов. Из каменных метеоритов наиболее близкий к мантии Земли состав имеют хондриты. Предполагают, что непосредственными образцами вещества мантии являются обломки пород среди базальтовой лавы, вынесенные на поверхность Земли; их находят также вместе с алмазами в трубках взрыва. Считают также, что обломки пород, поднятые драгой со дна рифтов Срединно-океанических хребтов, представляют собой вещество мантии.
Мантия Земли
Образцы самой верхней части мантии Земли состоят преимущественно из пород ультраосновного (перидотит и пироксенит) и основного (эклогит) состава. Обычно считается, что мантия Земли почти полностью сложена оливином ((Mg, Fe) 2 SiO 4), в котором сильно преобладает магниевая компонента (форстерит), но с глубиной, быть может, возрастает доля железной составной части (фаялита). Австралийский петрограф Рингвуд предполагает, что мантия Земли сложена гипотетической породой, которую он назвал пиролитом и которая по составу соответствует смеси из 3 частей периодита и 1 части базальта. Теоретические расчеты показывают, что в нижней мантии Земли минералы должны распадаться на окислы. К началу 70-х годов 20 века появились также данные, указывающие на наличие в мантии Земли горизонтальных неоднородностей.
Характерной чертой мантии Земли являются, по-видимому, фазовые переходы. Экспериментально установлено, что в оливине под большим давлением изменяется структура кристаллической решетки, появляется более плотная упаковка атомов, так что объем минерала заметно уменьшается. В кварце такой фазовый переход наблюдается дважды по мере роста давления; самая плотная модификация на 65°C плотнее обычного кварца. Такие фазовые переходы считаются главной причиной того, что в слое Голицына скорости сейсмических волн очень быстро возрастают с глубиной.
Несомненно, что выделилась из мантии Земли; процесс дифференциации мантии Земли продолжается и сейчас. Есть предположение, что и земное ядро разрастается за счет мантии Земли. Процессы в земной коре и мантии Земли тесно связаны; в частности, энергия для тектонических движений земной коры, по-видимому, поступает из мантии Земли.
