Химический состав мантии и ядра Земли

Мантия Земли имеет особый состав, отличаясь от состава покрывающей ее земной коры. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты Земли в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. К таким породам относятся ультраосновные породы — дуниты, перидотиты, залегающие в горных системах. Горные породы островов Св. Павла в средней части Атлантического океана, по всем геологическим данным, относятся к мантийному материалу. Также к мантийному материалу относятся обломки пород, собранные советскими океанографическими экспедициями со дна Индийского океана в области Индоокеанского хребта. Что касается минералогического состава мантии, то здесь можно ожидать существенных изменений, начиная от верхних горизонтов и кончая основанием мантии в связи с ростом давления. Верхняя мантия сложена преимущественно силикатами (оливинами, пироксенами, гранатами), устойчивыми и пределах относительно низких давлений. Нижняя мантия сложена минералами высокой плотности.

Наиболее распространенным компонентом мантии является окись кремния в составе силикатов. Но при высоких давлениях кремнезем может перейти в более плотную полиморфную модификацию — стишовит. Этот минерал получен советским исследователем Стишовым и назван так по его имени. Если обычный кварц имеет плотность 2,533 r/см³, то стишовит, образующийся из кварца при давлении 150 000 бар, имеет плотность 4,25 г/см³.

Кроме того, в нижней мантии вероятны и более плотные минеральные модификации других соединений. Исходя из изложенного выше, можно с достаточным основанием полагать, что с ростом давления обычные железисто-магнезиальные силикаты оливины и пироксены разлагаются на окислы, которые в отдельности имеют более высокую плотность, чем силикаты, которые оказываются устойчивыми в верхней мантии.

Верхняя мантия состоит преимущественно из железисто-магнезиальных силикатов (оливинов, пироксенов). Некоторые алюмосиликаты могут переходить здесь в более плотные минералы типа гранатов. Под материками и океанами верхняя мантия имеет разные свойства и, вероятно, различный состав. Можно только предположить, что в области континентов мантия более дифференцирована и имеет меньше SiO₂ за счет концентрации этого компонента в алюмосиликатной коре. Под океанами мантия менее дифференцирована. В верхней мантии могут возникать более плотные полиморфные модификации оливина со структурой шпинели и др.

Переходной слой мантии характеризуется постоянным возрастанием скоростей сейсмических волн с глубиной, что свидетельствует о появлении более плотных полиморфных модификаций вещества. Здесь, очевидно, появляются окислы FeO, MgO, GaO, SiO₂ в форме вюстита, периклаза, извести и стишовита. Количество их с глубиной возрастает, а количество обычных силикатов уменьшается, и глубже 1000 км они составляют ничтожную долю.

Нижняя мантия в пределах глубин 1000—2900 км практически полностью состоит из плотных разновидностей минералов — окислов, о чем свидетельствует ее высокая плотность в пределах 4,08—5,7 г/см

3. Под влиянием возросшего давления плотные окислы сжимаются, еще более увеличивая свою плотность. В нижней мантии также, вероятно, увеличивается содержание железа.

Ядро Земли. Вопрос о составе и физической природе ядра нашей планеты относится к наиболее волнующим и загадочным проблемам геофизики и геохимии. Только за последнее время наметилось небольшое просветление в решении этой проблемы.

Обширное центральное ядро Земли, занимающее внутреннюю область глубже 2900 км, состоит из большого внешнего ядра и малого внутреннего. По сейсмическим данным, внешнее ядро обладает свойствами жидкости. Оно не пропускает поперечных сейсмических волн. Отсутствие сил сцепления между ядром и нижней мантией, характер приливов в мантии и коре, особенности перемещения оси вращения Земли в пространстве, характер прохождения сейсмических волн глубже 2900 км говорят о том, что внешнее ядро Земли жидкое.

Некоторыми авторами состав ядра для химически однородной модели Земли допускался силикатным, причем под влиянием высокого давления силикаты перешли в «металлизированное» состояние, приобретая атомную структуру металлов, у которых внешние электроны являются общими. Однако перечисленные выше геофизические данные противоречат предположению о «металлизированном» состоянии силикатного материала в ядре Земли. В частности, отсутствие сцепления между ядром и мантией не может быть совместимо с «металлизированным» твердым ядром, что допускалось в гипотезе Лодочникова—Рамзая. Очень важные косвенные данные о ядре Земли получены во время опытов с силикатами под большим давлением. При этом давления достигали 5 млн. атм. Между тем в центре Земли давление 3 млн. атм., а на границе ядра — приблизительно 1 млн. атм. Таким образом, экспериментальным путем удалось перекрыть давления, существующие в самых глубинах Земли. При этом для силикатов наблюдалось только линейное сжатие без скачка и перехода в «металлизированное» состояние. Кроме того, при высоких температурах и давлениях в пределах глубин 2900—6370 км силикаты не могут находиться в жидком состоянии, как и окислы. Их температура плавления возрастает с увеличением давления.

За последние годы получены весьма интересные результаты исследований по влиянию очень высоких давлений на температуру плавления металлов. Оказалось, что ряд металлов при высоких давлениях (300 тыс. атм. и выше) переходит в жидкое состояние при относительно невысоких температурах. По некоторым расчетам, сплав железа с примесью никеля и кремния (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) на глубине 2900 км под влиянием высокого давления должен находиться в жидком состоянии уже при температуре 1000° С. Но температура на этих глубинах, по самым скромным оценкам геофизиков, должна быть значительно выше.

Поэтому в свете современных данных геофизики и физики высоких давлений, а также данных космохимии, указывающих на ведущую роль железа как наиболее обильного металла в космосе, следует допустить, что ядро Земли в основном сложено жидким железом с примесью никеля. Однако расчеты американского геофизика Ф. Берча показали, что плотность земного ядра на 10% ниже, чем железоникелевый сплав при температурах и давлениях, господствующих в ядре. Отсюда следует, что металлическое ядро Земли должно содержать значительное количество (10—20%) какого-то легкого элемента. Из всех наиболее легких и распространенных элементов максимально вероятными |оказываются кремний (Si) и сера (S). Наличие одного или другого способно объяснить наблюдаемые физические свойства земного ядра. Поэтому вопрос о том, что является примесью земного ядра — кремний или сера, оказывается дискуссионным и связан со способом формирования нашей планеты в делом.

А. Ридгвуд в 1958 г. допустил, что земное ядро содержит кремний в качестве легкого элемента, аргументируя такое предположение тем, что элементарный кремний в количестве нескольких весовых процентов встречается в металлической фазе некоторых восстановленных хондритовых метеоритов (энстатитовых). Однако других доводов в пользу присутствия кремния в земном ядре нет.

Предположение о том, что в земном ядре имеется сера, вытекает из сравнения ее распространения в хондритовом материале метеоритов и мантии Земли. Так, сопоставление элементарных атомных соотношений некоторых летучих элементов в смеси коры и мантии и в хондритах показывает резкий недостаток серы. В материале мантии и коры концентрация серы на три порядка ниже, чем в среднем материале солнечной системы, в качестве которого принимаются хондриты.

Возможность потери серы при высоких температурах первичной Земли отпадает, поскольку другие более летучие элементы, чем сера (например, Н2 в виде Н2O), обнаружившие значительно меньший дефицит, были бы потеряны в значительно большей степени. Кроме того, при охлаждении солнечного газа сера химически связывается с железом и перестает быть летучим элементом.

В связи с этим, вполне возможно, большие количества серы поступают в земное ядро. Следует отметить, что при прочих равных условиях температура плавления системы Fe—FeS значительно ниже, чем температура плавления железа пли силиката мантии. Так, при давлении 60 кбар температура плавления системы (эвтектики) Fe—FeS составит 990° С, в то время как чистого железа — 1610°, а пиролита мантии — 1310. Поэтому при повышении температуры в недрах первично однородной Земли железный расплав, обогащенный серой, будет формироваться первым и ввиду своей низкой вязкости и высокой плотности будет легко стекать в центральные части планеты, образуя железисто-сернистое ядро. Таким образом, присутствие серы в железоникелевой среде действует в качестве флюса, снижая температуру ее плавления в целом. Гипотеза о присутствии в земном ядре значительных количеств серы является весьма привлекательной и не противоречит всем известным данным геохимии и космохимии.

Таким образом, современные представления о природе недр нашей планеты соответствуют химически дифференцированному земному шару, который оказался разделенным на две разные части: мощную твердую силикатно-окисную мантию и жидкое в основном металлическое ядро. Земная кора представляет собой наиболее легкую верхнюю твердую оболочку, состоящую из алюмосиликатов и имеющую наиболее сложное строение.

Подводя итог сказанному, можно сделать следующие выводы.

1. Земля имеет слоистое зонарное строение. Она состоит на две трети из твердой силикатно-окисной оболочки — мантии и на одну треть из металлического жидкого ядра.
2. Основные свойства Земли свидетельствуют о том, что ядро находится в жидком состоянии и только железо из наиболее распространенных металлов с примесью некоторых легких элементов (скорее всего, серы) способно обеспечить эти свойства.
3. В верхних своих горизонтах Земля имеет асимметричное строение, охватывающее кору и верхнюю мантию. Океаническое полушарие в пределах верхней мантии менее дифференцировано, чем противоположное континентальное полушарие.

Задача любой космогонической теории происхождения Земли — объяснить эти основные особенности ее внутренней природы и состава.

www.polnaja-jenciklopedija.ru

Мантия Земли – строение, особенности, температура и состав

Мантия Земли – это наиболее важный участок нашей планеты, так как именно тут сосредоточена большая часть веществ. Он намного толще, чем остальные компоненты и, по сути, занимает большую часть пространства – около 80%. Изучению именно этой части планеты ученые посвятили большую часть времени.

Строение

Строение мантии ученые могут только предполагать, так как методов, которые бы однозначно дали ответ на данный вопрос, пока что не существует. Но, проведенные исследования дали возможность предположить, что данный участок нашей планеты состоит из таких слоев:

• первый, наружный – он занимает от 30 до 400 километров земной поверхности;
• переходная зона, которая расположена сразу за наружным слоем – по предположениям ученых она уходит вглубь примерно на 250 километров;
• нижний слой – его протяжность самая большая, около 2900 километров. Он начинается сразу после переходной зоны и идет прямо к ядру.

Следует отметить, что в мантии планеты есть такие горные породы, которых нет в земной коре.

Состав

Само собой, что точно установить из чего состоит мантия нашей планеты, нельзя, так как добраться туда невозможно. Поэтому, все, что удается изучить ученым, происходит при помощи обломков этого участки, которые периодически появляются на поверхности.

Так, после ряда исследований удалось выяснить, что этот участок Земли черно-зеленого цвета. Основной состав — это горные породы, которые состоят из таких химических элементов:

• кремний;
• кальций;
• магний;
• железо;
• кислород.

По внешнему виду, а в чем-то даже и по составу, она очень похожа на каменные метеориты, которые также периодически попадают на нашу планету.

Вещества, которые находятся в самой мантии, жидкие, вязкообразные, так как температура на данном участке превышает тысячи градусов. Ближе к коре Земли температура снижается. Таким образом, происходит некоторый круговорот – те массы, которые уже охладились, спускаются вниз, а разогретые до предела попадают наверх, поэтому процесс «смешивания» никогда не прекращается.

Периодически, такие разогретые потоки попадают в самую кору планеты, в чем им оказывают содействие действующие вулканы.

Способы изучения

Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.

Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:

• скорость сейсмических волн;
• сила тяжести;
• характеристики и показатели электропроводности;
• изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.

Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.

Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.

Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.

Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.

Давление и температура

Распределение давления в пределах мантии неоднозначно, собственно как и температурного режима, но обо всем по порядку. На долю мантии приходится больше половины веса планеты, а если сказать точнее, то 67%. В участках под земной корой давление составляет около 1,3-1,4 млн.атм., при этом, следует отметить, что в местах, где расположены океаны, уровень давления существенно спадает.

Что же касается температурного режима, то здесь данные вовсе неоднозначны и базируются только на теоретических предположениях. Так, у подошвы мантии предполагается температура в 1500-10 000 градусов по Цельсию. В целом, ученые предположили, что температурный уровень на данном участке планеты более близок к температуре плавления.

ecoportal.info

Мантия Земли

Многим известно, что планета Земля в сейсмическом (тектоническом) смысле состоит из ядра, мантии и литосферы (коры). Мы рассмотрим, что такое мантия. Это слой или промежуточная оболочка, которая находится между ядром и корой. Мантия составляет 83% объема планеты Земля. Если же брать вес, то 67% Земли — это мантия.

Два слоя мантии

Еще в начале двадцатого века было принято считать, что мантия однородна, но уже к середине столетия ученые пришли к выводу, что она состоит из двух слоев. Близкий к ядру слой — это нижняя мантия. Тот слой, который граничит с литосферой — верхняя мантия. Верхняя мантия уходит вглубь Земли приблизительно на 600 километров. Нижняя граница нижней мантии расположена на глубине до 2900 километров.

Из чего состоит мантия

Подобраться к мантии ученым еще не доводилось. Никакое бурение пока еще не позволило приблизиться к ней. Поэтому все исследования производятся не опытным, а теоретическим и опосредованным путем. Свои выводы о мантии земли ученые делают прежде всего на основе геофизических исследований. В расчет берутся электропроводность, сейсмические волны, скорость их распространения, сила.

Японские ученые заявляли о своих намерениях подойти к мантии земли, пробурив океанические породы, но пока их планы еще не воплощены в жизнь. На дне океана уже найдены некоторые места, где слой земной коры наиболее тонкий, то есть до верхней части мантии отсанется бурить всего-то каких-то 3000 км. Сложность заключается в том, что бурение должно проводится на дне океана и при этом буру предстоит пройти участки сверхпрочных пород, а это можно сравнить с попыткой хвостика нитки прорваться через стенки наперстка. Безусловно, возможность изучить образцы пород, взятых непосредственно из мантии, дала бы составить более точное представление о ее структуре и составе.

Алмазы и перидоты

Информативными являются и мантийные породы, которые в результате различных геофизических и сейсмических процессов оказываются на поверхности земли. Например, к мантийным породам относятся алмазы. Некоторые из них, предполагают исследователи, поднимаются из нижней мантии. Наиболее распространенные породы — это перидоты. Они часто выбрасываются в лаве извержениями вулканов. Изучение мантийных пород позволяет ученым с определенной точностью говорить о составе и основных чертах мантии.

Жидкое состояние и вода

Составляют мантию силикатные породы, которые насыщены магнием и железом. Все вещества, составляющие мантию, пребывают в раскаленном. расплавленном, жидком состоянии, ведь температура этого слоя достаточно велика — до двух с половиной тысяч градусов. Вода также входит в состав мантии Земли. В количественном отношении ее там в 12 раз больше, чем в мировом океане. Запас воды в мантии таков, что если бы ее выплеснуть на поверхность земли, то вода поднялась бы над поверхностью на 800 метров.

Процессы в мантии

Граница мантии не представляет собой ровную линию. Наоборот, в некоторых местах, например, в районе Альп, на дне океанов, мантийные, то есть относящиеся к мантии породы подступают довольно близко к поверхности Земли. Именно физические и химические процессы, которые протекают в мантии, оказывают влияние на то, что происходит в земной коре и на поверхности земли. Речь идет об образовании гор, океанов, движении материков.

xn—-8sbiecm6bhdx8i.xn--p1ai

Вещественный состав Земли | Образовательный геологический сайт Юрия Попова

Вещественный состав мантии и ядра Земли
Вещественный состав земной коры

Вещественный состав мантии и ядра Земли

О вещественном составе глубинных зон прямых данных практически нет. Выводы базируются на геофизических данных, дополняемых результатами экспериментов и математического моделирования. Существенную информацию несут метеориты и фрагменты верхнемантийных пород, выносимые из недр глубинными магматическими расплавами.

Валовый химический состав Земли очень близок к составу углистых хондритов – метеоритов, по составу близких первичному космическому веществу, из которого формировалась Земля и другие космические тела Солнечной системы. По валовому составу Земля на 92% состоит всего из пяти элементов (в порядке убывания содержания): кислорода, железа, кремния, магния и серы. На все остальные элементы приходится около 8%.

Однако в составе геосфер Земли перечисленные элементы распределены неравномерно — состав любой оболочки резко отличается от валового химического состава планеты. Это связано с процессами дифференциации первичного хондритового вещества в процессе формирования и эволюции Земли.

Основная часть железа в процессе дифференциации сконцентрировалась в ядре. Это хорошо согласуется и с данными о плотности вещества ядра, и с наличием магнитного поля, с данными о характере дифференциации хондритового вещества, и с другими фактами. Эксперименты при сверхвысоких давлениях показали, что при давлениях достигаемых на границе ядра и мантии, плотность чистого железа близко к 11 г/см³, что выше фактической плотности этой части планеты. Следовательно, во внешнем ядре присутствует некоторое количество лёгких компонентов. В качестве наиболее вероятных компонентов рассматриваются водород или сера. Так расчёты показывают, что смесь 86% железа + 12% серы + 2% никеля соответствует плотности внешнего ядра и должна находится в расплавленном состоянии при Р-Т условиях этого участка планеты. Твёрдое внутреннее ядро, представлено никелистым железом, вероятно, в соотношении 80% Fe + 20% Ni, что отвечает составу железных метеоритов.

Для описания химического состава мантии к сегодняшнему дню предложено несколько моделей (табл.). Несмотря на имеющиеся между ними различия, всеми авторами принимается, что примерно на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа; еще 5 – 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

Химический состав мантии Земли

Окислы	Содержание, весовые %
	Пиролитовая модель	Лерцолитовая модель	Хондритовая модель
SiO2	45,22	45,3	48,1
TiO2	0,7	0,2	0,4
Al2O3	3,5	3,6	3,8
FeO	9,2	7,3	13,5
MnO	0,14	0,1	0,2
MgO	37,5	41,3	30,5
CaO	3,1	1,9	2,4
Na2O	0,6	0,2	0,9
К2О	0,13	0,1	0,2

Дискуссионным является форма нахождения этих элементов: в форме каких минералов и горных пород они находятся?

До глубины 410 км, согласно лерцолитовой модели, мантия состоит на 57% из оливина, на 27% из пироксенов и на 14% из граната; её плотность около 3,38 г/см³. На границе 410 км оливин переходит в шпинель, а пироксен – в гранат. Соответственно, нижняя мантия состоит из гранат-шпинелевой ассоциации: 57% шпинели + 39% граната + 4% пироксена. Превращение минералов в более плотные модификации на рубеже 410 км приводит к увеличению плотности до 3,66 г/см3, что отражается в возрастании скорости прохождения сейсмических волн через это вещество.

Следующий фазовый переход приурочен к границе 670 км. На этом уровне давление определяет разложение минералов, типичных для верхней мантии, с образованием более плотных минералов. Вследствие такой перестройки минеральных ассоциаций плотность нижней мантии у границы 670 км становится около 3,99 г/см3 и постепенно нарастает с глубиной под воздействием давления. Это фиксируется скачкообразным нарастанием скорости сейсмических волн и дальнейшим плавным нарастанием скорости границы 2900 км. На границе мантии и ядра, вероятно, происходит разложение силикатных минералов на металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации мантийного вещества сопровождается ростом металлического ядра планеты и выделением тепловой энергии.

Суммируя приведённые данные, необходимо отметить, что разделение мантии обусловлено перестройкой кристаллической структуры минералов без значимого изменения её химического состава. Сейсмические границы раздела приурочены к участкам фазовых превращений и связаны с изменением плотности вещества.

Раздел ядро/мантия является, как отмечено ранее, очень резким. Здесь резко изменяются скорости и характер прохождения волн, плотность, температура и другие физические параметры. Такие радикальные изменения не могут быть объяснены перестройкой кристаллической структуры минералов и, несомненно, связаны с изменением химического состава вещества.

Более подробные сведения имеются в вещественном составе земной коры, верхние горизонты которой доступны для непосредственно изучения.

Вещественный состав земной коры

Химический состав земной коры отличается от более глубоких геосфер в первую очередь обогащённостью относительно лёгкими элементами – кремнием и алюминием.

Достоверные сведения имеются только о химическом составе самой верхней части земной коры. Первые данные о её составе были опубликованы в 1889 году американским ученым Ф. Кларком, как среднеарифметические из 6000 химических анализов горных пород. Позже, на основании многочисленных анализов минералов и горных пород, эти данные многократно уточнялись, но и сейчас процентное содержание химического элемента в земной коре называется кларком. Около 99 % в составе земной коры занимают всего 8 элементов, то есть они имеют наибольшие кларки (данные об их содержании приведены в таблице). Кроме того, могут быть названы ещё несколько элементов, имеющих относительно высокие кларки: водород (0,15%), титан (0,45%), углерод (0,02%), хлор (0,02%), которые в сумме составляют 0,64%. На все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях, остаётся 0,33%. Таким образом, в пересчёте на окислы, земная кора в основном состоит из SiO2 и Al2O3 (имеет «сиалический» состав, SIAL), что существенно отличает её от мантии, обогащённой магнием и железом.

Вместе с тем, нужно иметь в виду, что приведённые выше данные о среднем составе земной коры отражают лишь общую геохимическую специфику этой геосферы. В пределах земной коры по составу существенно различается океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора образуется за счёт поступающих из мантии магматических расплавов, поэтому в значительно большей степени обогащена железом, магнием и кальцием, чем континентальная.

Среднее содержание химических элементов в земной коры
(по Виноградову)

Химический элемент	Содержание, вес.% (кларк)
Кислород	47,00
Кремний	29,5
Алюминий	8,05
Железо	4,65
Кальций	2,96
Натрий	2,5
Калий	2,5
Магний	1,87

Химический состав континентальной и океанической коры

Окислы	Содержание, вес.%
	Континентальная кора	Океанская кора
SiO2	60,2	48,6
TiO2	0,7	1,4
Al2O3	15,2	16.5
Fe2O3	2,5	2,3
FeO	3,8	6,2
MnO	0,1	0,2
MgO	3,1	6,8
CaO	5,5	12,3
Na2O	3,0	2,6
K2O	2,8	0,4

Не менее значимые различия обнаруживаются и между верхней и нижней частью континентальной коры. В значительной мере это связано с формированием коровых магм, возникающих за счёт плавления пород земной коры. При плавлении разных по составу пород выплавляются магмы, в значительной мере состоящие из кремнезёма и окисла алюминия (они содержат обычно более 64% SiO₂), а оксиды железа и магния остаются в глубинных горизонтах в виде нерасплавленного «остатка». Имеющие малую плотность расплавы, внедряются в более высокие горизонты земной коры, обогащая их SiO₂ и Al₂O₃.

Химический состав верхней и нежней континентальной коры
(по Тейлору и Мак-Леннану)

Окислы	Содержание, вес.%
	Верхняя кора	Нижняя кора
SiO2	66,00	54,40
TiO2	0,5	1,0
Al2O3	15,2	16.1
FeO	4,5	10,6
MgO	2,2	6,3
CaO	4,2	8,5
Na2O	3,9	2,8
K2O	3,4	0,28

Химические элементы и соединения в земной коре могут образовывать собственные минералы или находится в рассеянном состоянии, входя в форме примесей в какие-либо минералы и горные породы.

popovgeo.sfedu.ru

Верхняя мантия Земли: состав, температура, интересные факты

Мантия Земли — часть геосферы, расположенная между корой и ядром. В ней находится большая доля всего вещества планеты. Изучение мантии важно не только с точки зрения понимания внутренней структуры Земли. Оно может пролить свет на формирование планеты, дать доступ к редким соединениям и породам, помочь понять механизм землетрясений и движения литосферных плит. Однако получить информацию о составе и особенностях мантии непросто. Бурить скважины так глубоко люди пока не умеют. Мантия Земли в основном сейчас изучается при помощи сейсмических волн. А также путем моделирования в условиях лаборатории.

Строение Земли: мантия, ядро и кора

Согласно современным представлениям, внутреннее строение нашей планеты подразделяется на несколько слоев. Верхний — это кора, далее лежат мантия и ядро Земли. Кора — твердая оболочка, делящаяся на океаническую и континентальную. Мантия Земли отделена от нее так называемой границей Мохоровичича (по имени хорватского сейсмолога, установившего ее местоположение), которая характеризуется скачкообразным ростом скоростей продольных сейсмических волн.

Мантия составляет примерно 67 % массы планеты. По современным данным, ее можно разделить на два слоя: верхний и нижний. В первом выделяют также слой Голицына или среднюю мантию, являющуюся переходной зоной от верхней к нижней. В целом мантия простирается на глубине от 30 до 2900 км.

Ядро планеты, по представлению современных ученых, состоит в основном из железоникелевых сплавов. Оно также подразделяется на две части. Внутреннее ядро — твердое, его радиус оценивается в 1300 км. Внешнее — жидкое, имеет радиус в 2200 км. Между этими частями выделяют переходную зону.

Литосфера

Кора и верхняя мантия Земли объединяются понятием «литосфера». Это твердая оболочка, имеющая стабильные и подвижные области. Твердая оболочка планеты состоит из литосферных плит, которые, как предполагается, перемещаются по астеносфере — довольно пластичному слою, вероятно, представляющему собой вязкую и сильно нагретую жидкость. Она является частью верхней мантии. Нужно отметить, что существование астеносферы как непрерывной вязкой оболочки не подтверждается сейсмологическими исследованиями. Изучение структуры планеты позволяет выделить несколько подобных слоев, размещающихся по вертикали. В горизонтальном же направлении астеносфера, видимо, постоянно прерывается.

Способы изучения мантии

Слои, лежащие ниже коры, малодоступны для изучения. Огромная глубина, постоянное увеличение температуры и возрастание плотности являются серьезной проблемой для получения информации о составе мантии и ядра. Однако представить структуру планеты все-таки можно. При изучении мантии главными источниками информации становятся геофизические данные. Скорость распространения сейсмических волн, особенности электропроводности и силы тяжести позволяют ученым делать предположения о составе и других особенностях нижележащих слоев.

Кроме того, некоторую информацию удается получить из магматических горных пород и фрагментов мантийных пород. К числу последних относятся алмазы, которые могут многое рассказать даже о нижней мантии. Встречаются мантийные породы и в земной коре. Их изучение помогает понять состав мантии. Однако они не заменят образцов, добытых непосредственно из глубоких слоев, поскольку в результате различных процессов, протекающих в коре, их состав отличен от мантийного.

Мантия Земли: состав

Еще один источник информации о том, что представляет собой мантия, — метеориты. Согласно современным представлениям, хондриты (самая распространенная на планете группа метеоритов) по составу близки к земной мантии.

Предполагается, что она содержит элементы, которые находились в твердом состоянии или входили в твердое соединение в процессе формирования планеты. К ним относится кремний, железо, магний, кислород и некоторые другие. В мантии они, объединяясь с диоксидом кремния, образуют силикаты. В верхнем слое располагаются силикаты магния, с глубиной растет количество силиката железа. В нижней мантии происходит разложение этих соединений на оксиды (SiO₂, MgO, FeO).

Особый интерес для ученых представляют породы, не встречающиеся в земной коре. Как предполагается, в мантии таких соединений (гроспидиты, карбонатиты и так далее) немало.

Слои

Остановимся подробнее на протяженности слоев мантии. По представлениям ученых, верхних из них занимает диапазон примерно от 30 до 400 км от земной поверхности. Далее располагается переходная зона, которая уходит вглубь еще на 250 км. Следующий слой — нижний. Его граница располагается на глубине около 2900 км и соприкасается с внешним ядром планеты.

Давление и температура

С продвижением вглубь планеты, повышается температура. Мантия Земли находится под действием крайне высокого давления. В зоне астеносферы действие температуры перевешивает, поэтому здесь вещество находится в так называемом аморфном или полурасплавленном состоянии. Глубже под действием давления оно становится твердым.

Исследования мантии и границы Мохоровичича

Мантия Земли не дает покоя ученым уже достаточно длительное время. В лабораториях над породами, предположительно входящими в состав верхнего и нижнего слоя проводятся эксперименты, позволяющие понять состав и особенности мантии. Так, японскими учеными было установлено, что нижний слой содержит большое количество кремния. В верхней мантии располагаются запасы воды. Она поступает из земной коры, а также проникает отсюда на поверхность.

Особый интерес представляет поверхность Мохоровичича, природа которой до конца непонятна. Сейсмологические исследования предполагают, что на уровне 410 км под поверхностью происходит метаморфическое изменение пород (они становятся более плотными), что проявляется в резком увеличении скорости проведения волн. Предполагается, что базальтовые породы в районе границы Мохоровичича превращаются в эклогит. При этом происходит увеличение плотности мантии примерно на 30 %. Есть и другая версия, согласно которой, причина изменения скорости проведения сейсмических волн кроется в изменении состава пород.

Тикю Хаккэн

В 2005 году в Японии было построено специально оборудованное судно Chikyu. Его миссия — сделать рекордно глубокую скважину на дне Тихого океана. Ученые предполагают взять образцы пород верхней мантии и границы Мохоровичича, чтобы получить ответы на многие вопросы, связанные со строением планеты. Реализация проекта намечена на 2020 год.

Нужно отметить, что ученые не просто так обратили свой взор именно к океаническим недрам. Согласно исследованиям, толщина коры на дне морей значительно меньше, чем на континентах. Разница существенная: под толщей воды в океане до магмы нужно преодолеть в отдельных областях всего 5 км, тогда как на суше эта цифра увеличивается до 30 км.

Сейчас судно уже работает: получены образцы глубоких угольных пластов. Реализация главной цели проекта позволит понять, как устроена мантия Земли, какие вещества и элементы составляют ее переходную зону, а также выяснить нижний предел распространения жизни на планете.

Наше представление о строении Земли пока далеко не полное. Причина тому — сложность проникновения в недра. Однако технический прогресс не стоит на месте. Достижения науки позволяют предположить, что в недалеком будущем мы будем знать о характеристиках мантии гораздо больше.

fb.ru

Строение мантии Земли и ее состав

Под земной корой расположен следующий слой, именуемый мантией. Он окружает ядро планеты и имеет толщину почти три тысячи километров. Строение мантии Земли очень сложное, поэтому требует детального изучения.

Мантия и ее особенности

Название данной оболочки (геосферы) происходит от греческого слова, обозначающего плащ или покрывало. В действительности, мантия, словно покрывало окутывает ядро. На нее приходится около 2/3 массы Земли и примерно 83% ее объема.

Принято считать, что температура оболочки не превышает 2500 градусов по Цельсию. Ее плотность в разных слоях существенно отличается: в верхней части она составляет до 3.5 т/куб.м, а в нижних – 6 т/куб.м. Состоит мантия из твердых кристаллических веществ (тяжелых минералов, богатых железом и магнием). Исключением является только астеносфера, которая находится полурасплавленном состоянии.

Структура оболочки

Теперь рассмотрим строение мантии земли. Геосфера состоит из следующих частей:

• верхняя мантия, толщиной 800-900 км;
• астеносфера;
• нижняя мантия, толщиной около 2000 км.

Верхняя мантия – это часть оболочки, которая расположена ниже земной коры и входит в литосферу. В свою очередь она делится на астеносферу и слой Голицина, который характеризуется интенсивным увеличением скоростей сейсмических волн. Эта часть мантии Земли влияет на такие процессы, как тектонические движения плит, метаморфизм и магматизм. Стоит отметить, что строение ее отличается в зависимости от того, под каким тектоническим объектом она располагается.

Астеносфера. Само название серединного слоя оболочки с греческого языка переводится, как «слабый шар». Геосфера, которую относят к верхней части мантии, а иногда выделяют в отдельный слой, характеризируется пониженной твердостью, прочностью и вязкостью. Верхняя граница астеносферы всегда находится ниже крайней линии земной коры: под континентами – на глубине 100 км, под морским дном – 50 км. Нижняя черта ее расположена на глубине 250-300 км. Астеносфера является главным источником магмы на планете, а движение аморфного и пластичного вещества считается причиной тектонических движений в горизонтальной и вертикальной плоскостях, магматизма и метаморфизма земной коры.

О нижней части мантии ученые знают немного. Считается, что на границе с ядром расположен особенный слой Д, напоминающий астеносферу. Он отличается высокой температурой (из-за близости раскаленного ядра) и неоднородностью вещества. В состав же массы входит железо и никель.

Состав мантии Земли

Кроме строения мантии Земли интересен и ее состав. Геосферу создают оливин и ультраосновные породы (перидотиты, перовскиты, дуниты), но присутствуют и основные породы (эклогиты). Установлено, что в оболочке содержатся редкие разновидности, которые не встречаются в земной коре (гроспидиты, флогопитовые перидотиты, карбонатиты).

Если говорить о химическом составе, то в мантии в разной концентрации содержатся: кислород, магний, кремний, железо, алюминий, кальций, натрий и калий, а также их оксиды.

Мантия и ее изучение — видео

life-students.ru

«Происхождение структур земной коры» / Земля

Мантия Земли (Ботт, 1974; Белоусов, 1975; Сорохтин, 1974) подобно ядру внутренне неоднородна. Она расчленяется на три слоя: верхнюю мантию (от раздела М до глубин примерно 400 км), переходную зону или слой Голицына (глубины 400–1000 км) и нижнюю мантию (глубины 1000–2900 км). Мантия имеет ультраосновной состав, близкий к составу перидотитов и хондритов. Их преобладающими минералами являются пироксен и оливин. Поэтому вещество мантии Д. Грин и А. Рингвуд ещё в 1967 г. назвали условно «пиролитом».

Одной из наиболее важных особенностей вещества мантии является способность порождать базальтовую магму. Базальты в виде сплошного слоя мощностью 1.5–2.5 км распространены в земной коре океанов и очень часто встречаются в коре континентов. Многочисленные эксперименты показывают, что базальты образуются в результате частичного (5–10 %) расплавления различных ультраосновных пород главным образом за счёт зёрен пироксена и граната при температурах от 1 225 до 1 500 °С. При этом в зависимости от давления в зоне плавления базальты приобретают несколько отличные составы. Д. Грин и А. Рингвуд (1968) показали, что щёлочность базальтов прямо связана с глубиной их рождения: высоко-глиноземистые оливиновые толеиты рождаются, по всей вероятности, на глубинах порядка 30 км, щелочные оливиновые базальты — на глубинах от 35 до 60 км, а пикриты — около 90 км. Вместе с тем отмечается, что источником главной части базальтовой магмы являются глубины порядка 60 км.

Базальты и другие породы мантийного происхождения, например кимберлиты, выносят на земную поверхность обломки пород, составляющих мантию. Эти обломки, которые называются ксенолитами, служат источником прямой информации о вещественном составе верхней мантии. По данным В. Г. Лутца, В. С. Соболева и других исследователей ксенолиты, выявленные на континентах, представлены преимущественно гранатовыми перидотитами, гранатовыми лерцолитами, гранатовыми гарцбургитами, верлитами, дунитами, пироксенитами, пироп-диопсидовыми, пироп-диопсид-энстатитовыми эклогитами и менее глубинными шпинелевыми перидотитами, альпинотипными породами ультраосновного состава, подобными офиолитам эвгеосинклиналей. Значит, мантия под континентами, хотя и сложена главным образом перидотитами, в вещественном отношении крайне неоднородна. Под океанами она более однородна (Белоусов, 1975). Представляющие её породы найдены в обрывах рифтовых долин срединноокеанических хребтов. Это также перидотиты, но гораздо более однообразного состава.

В. Г. Лутц (1973), сравнив составы верхнемантийных пород и хондритов, пришёл к выводу, что последние ближе всего по составу к наиболее глубинным мантийным породам — гранатовым перидотитам, хотя и отличаются от них большим содержанием щелочных, щёлочно-земельных, радиоактивных и редкоземельных элементов, т. е. теми элементами, которыми чрезвычайно обогащена земная кора континентов, а также содержанием железа — элемента, характерного для внутренних частей планеты. Вероятно, верхнемантийные породы — это остатки первичного вещества планеты, утратившие определённую группу элементов в процессе химической и термогравитационной дифференциации. Часть этих элементов вынесена вверх «сквозьпроникающими» флюидными растворами и магматическими расплавами, часть «утонула» в нижних слоях мантии и ядре Земли.

О составе слоя Голицына и нижней мантии прямых данных нет. На основании экспериментов с породами верхнемантийного состава принимается, что в нижней мантии распространены породы, подобные первичному веществу планеты хондритам, в которых некоторые минералы перешли в свои сверхплотные модификации, например, оливин в шпинель, пироксен в гранат, кварц в стишовит и коэсит. Так как подобные фазовые превращения минералов происходят в основном в термодинамических условиях слоя Голицына, то скорости прохождения сейсмических волн и средние плотности вещества сверху вниз по разрезу мантии нарастают неравномерно: вблизи кровли верхней мантии плотность равна 3.3 г/см3, скорость прохождения продольных волн 8.1 км/с; к низам верхней мантии плотность возрастает до 3.6 г/см3, скорость до 9 км/с; в интервале слоя Голицына плотность быстро возрастает от 3.6 до 4.6 г/см3, скорость — от 9 до 11.5 км/с; в интервале нижней мантии плотность увеличивается от 4.6 до 5.6 г/см3, скорости продольных волн — от 11.5 до 13.6 км/с.

В верхней мантии под континентами ориентировочно в интервале глубин 100–250 км, а под океанами — в интервале 50–350 км располагается слой с относительно пониженными значениями плотности вещества и скорости прохождения сейсмических волн. В этом слое уменьшение плотности достигает 0.1 г/см3, уменьшение скорости продольных волн — 0.4 км/с, поперечных волн — 0.3 км/с. Слой не имеет резких границ. С выше- и нижележащими мантийными массами он связан постепенными переходами. Слой называется волноводом или, в честь открывшего его геофизика Б. Гутенберга (1953 г.), слоем Гутенберга. Предполагается, что вещество слоя находится в частично расплавленном состоянии и представляет собой своеобразную «кашу», состоящую из жидких (промазок, прослоев, капельных проявлений базальтового расплава) и твёрдых (главным образом оливиновых остатков перидотита) компонентов. Объем базальтовых выплавок вряд ли превышает 1 %. Вследствие наличия жидких расплавов слой характеризуется во много десятков раз повышенной электропроводностью и резко (в 1 000 раз) пониженной вязкостью, которая составляет 10²⁰—10²¹ пуаз. Последнее послужило основанием для разделения масс, лежащих выше слоя Голицына, на астеносферу (греч. астенос — слабый), соответствующую волноводу, и литосферу , т. е. каменную сферу, включающую надастеносферные горизонты мантии и земную кору. Поскольку все тектонические, магматические и метаморфические проявления на поверхности Земли обусловлены активной совместной ролью астеносферы и литосферы, то В. В. Белоусов (1975) предложил объединить эти две оболочки под общим названием тектоносфера Земли.

Толщина и положение астеносферы в разрезе верхней мантии переменны. В тектонически активных областях планеты, характеризующихся значительным разогревом недр, она имеет большую мощность, достигающую 200–300 км, а её поверхность часто совмещается с подошвой земной коры. Здесь в составе литосферы остаётся одна лишь земная кора. Наоборот, в областях относительного тектонического покоя астеносфера имеет небольшую (100–200 км) мощность, а её поверхность располагается значительно ниже подошвы коры. Например, под океаническими равнинами поверхность астеносферы отмечается на глубинах 60–100, подошва — 250–300 км. Под континентальными равнинами астеносфера располагается на глубинах порядка 100 км и имеет толщину около 150 км. Под континентальными областями с предельно глубоким охлаждением недр, например под Канадским и Балтийским щитами, волноводы ещё более слабо выражены. Причём регистрируются они только по поперечным сейсмическим волнам. Поэтому возможно, что местами они вообще отсутствуют.

Волноводы известны также и в нижней мантии (М. Чиннери, М. Токзоц, А. Дуглас, Д. Корбишли). Здесь они располагаются на глубинах около 1 900 км и имеют небольшую мощность. Кроме того, как в верхней, так и в нижней мантии выделяется несколько волноводов с ограниченным площадным распространением, названных астенолинзами (Пейве, Савельев, 1982).

Наличие в составе мантии двух планетарных волноводов и множества астенолинз, образованных полурасплавленной базальт-гипербазитовой массой, позволяет считать, что мантия в целом находится в твёрдом состоянии, но критическом, близком к частичному расплавлению. Такое состояние мантии приводит к заметному снижению прочности слагающих её масс. Если прочность земной коры на сжатие достигает 1 000 бар (такой величины разность давлений наблюдается в подошве высоких горных хребтов, например Гималаев), а по наиболее крепким горным породам даже 1 500 (граниты) и 2 000 бар (дуниты, пироксениты), то прочность пород нижней мантии не превышает 160 бар (оценки прочности разными методами дают значения от 50 до 160 бар), а прочность вещества астеносферы составляет всего 20 бар (Ботт, 1974). Важно, что породы мантии не обладают способностью к хрупкому разрушению. Хрупкие деформации характерны только для верхней части литосферы, а в более глубоких частях литосферы и в мантии благодаря росту температуры недр с глубиной хрупкие деформации сменяются пластическим течением. Именно этим объясняются следующие факты: 1 — до сих пор не было зарегистрировано ни одного землетрясения с очагом, расположенным вне литосферы; 2 — свыше 75 % энергии, выделяющейся при землетрясениях, связано с приповерхностными землетрясениями, имеющими очаги в интервале глубин от 0 до 70 км, а с глубокими, очаги которых размещаются глубже 30 км, — только 3 %; 3 — землетрясения, связанные с образованием разломов в горных породах, характерны только для небольших (до 15–30 км) глубин. На более значительных глубинах землетрясения имеют иные физические механизмы: неустойчивость ползучести, связанная с образованием небольших зон плавления, быстрые фазовые превращения вещества и другие, ещё не выясненные явления.

Как уже было отмечено, ограничениями мантии служат сейсмические разделы Гутенберга (снизу) и Мохоровичича (сверху). Природа нижнего раздела сейчас представляется относительно ясной. Этот раздел приурочен к контакту материальных масс, имеющих разное агрегатное (физическое) состояние, разную плотность и разный химический состав: твёрдых ультраосновных силикатных пород мантии, имеющих плотность 5.6 г/см3, и жидкого железо-никелевого вещества внешнего ядра, плотность которого сразу ниже мантии равна 9.5 г/см3.

Менее определённо решается вопрос о природе раздела М. Существует несколько вариантов его интерпретации, что, по нашему мнению, доказывает разнородность этого раздела. Нам более вероятно, под океанами (по Г. Хессу) и под некоторыми древними складчатыми областями континентов (по И. А. Резанову) он отделяет ультраосновное вещество мантии от продукта его гидратации — серпинтинизированного горнопородного комплекса. Последний имеет пониженную плотность, и только поэтому включается в состав «геофизической» земной коры. Под фанерозойскими складчатыми областями этот раздел находится между ультраосновным веществом мантии и гранулитовым комплексом земной коры, имеющим средний и основной химический состав. Подобластями континентов, находящимися в состоянии тектонической активизации и повторного орогенеза (под дейтероорогенами), сейсмический раздел М располагается внутри мантии — между плотным твёрдым, холодным и относительно менее плотным, полурасплавленным мантийным веществом, подобным тому, которое находится в астеносфере. Это полурасплавленное вещество представляет собой базальт-гипербазитовую смесь, имеет пониженную (до 3.0–3.1 г/см3) плотность и поэтому условно включается в состав земной коры, обособляясь в теле коры под названием «аномальной мантии». Наконец, под континентальными областями, пережившими в прошлом состояние дейтероорогенеза, раздел М отделяет коровый гранулитовый комплекс от эклогит-гипербазитовой раскристаллизованной смеси, в которую под воздействием высокого геостатического давления превратилась, остывая, бывшая базальт-гипербазитовая аномальная мантия».

www.gemp.ru