Географическая энциклопедия. Верхняя мантия Земли: состав, температура, интересные факты

У учёных нет сомнений в том, что наша планета состоит минимум из трёх структур: наружная оболочка – кора, внутренняя сердцевина – ядро, а между ними как раз и лежит слой земных пород – мантия.

Она заметно толще коры и занимает более 80% всего объёма земного шара. Начинается мантия на глубине примерно 30–50 км (под океанами) и гораздо ниже – под континентами. На глубине около 30 000 км она граничит с ядром.

Как изучают строение Земли на таких огромных глубинах?

Конечно, недра – это не бездны океана или космоса. Внутрь планеты не послать ни экспедиции, ни роботов. Однако разработаны методы, которые позволяют туда «заглянуть». Для этого есть несколько путей.

1. Геофизические исследования. Например, регистрировать распространение волн от землетрясений. Пока эти волны доберутся, например, от Японии до Германии, они не раз изменят своё направление и скорость. По тому, в каких слоях они идут медленней, в каких – быстрее, можно судить о строении этих слоёв, их составе.

2. Геологические коллекции. Специалисты часто умеют различать «камешки» по месту их рождения. Так, недавно удалось по примесям расшифровать биографию шести алмазов. Когда-то крошечные кусочки углерода опустились из коры в мантию и «утонули» в ней. Чудовищное давление превратило их в , а восходящий поток понёс их в кору. Они оказались в вулканической породе, которую через 200 млн. лет люди подняли из бразильской шахты.

3. Эксперименты. Примерно представляя себе условия в недрах Земли, можно воспроизвести их в лабораториях и посмотреть на результаты.

4. Бурение сверхглубоких скважин. Правда, пока что самая глубокая из них, на Кольском полуострове достигла лишь отметки 12 262 метра. Возможно, добраться до мантии получится бурением океанского дна – здесь-то кора намного тоньше. Такое может оказаться под силу буровым суднам, уже созданным специально для подобных работ.

Из чего состоит мантия? Какие процессы в ней идут?

О мантии можно судить по её обломкам, которые вынесены на поверхность суши или долин океанского дна миллиарды лет назад. Предполагают, что мантия зеленовато-чёрная и состоит из горных пород, содержащих кремний, магний, кальций, железо, кислород. По составу она похожа на . Когда-то, до образования коры, такой была вся поверхность Земли.

Ныне распад радиоактивных веществ подогревает ядро, и оно передаёт свой жар мантии. Температура самого нижнего её слоя измеряется тысячами градусов. Поэтому его горные породы размягчены, колоссальное давление делает их текучими. Снаружи температура мантии постепенно падает. Охлаждённые внешние массы опускаются, подогретые внутренние – всплывают. Из-за высокой вязкости скорость движения невелика – до нескольких десятков сантиметров в год. Но этот круговорот никогда не прекращается. Время от времени потоки мантийного вещества внедряются в кору, этим перемещениям помогают вулканы.

Почему важно исследовать мантию Земли?

Мантия находится от нас далеко (точнее, глубоко), но, безусловно, влияет на жизнь людей и всей окружающей нас природы. Движения в мантии заставляют перемещаться стоящие на ней огромные плиты коры, которые несут континенты. Результат известен – землетрясения, извержения вулканов и массовые вымирания организмов, рождение и гибель островов, движение материков. Поняв процессы в мантии, мы получим шанс предвидеть глобальные катастрофы.

Тепловые перемещения в мантии влияют на появление зон подземного тепла. Представляя себе её «поведение», будет легче находить такие зоны для постройки геотермальных электростанций, горячие подземные воды, металлические руды. Да и другие полезные ископаемые тоже.


Скажем, считалось, что горючий газ метан образуется из гниющей органики благодаря бактериям. Но не так давно группа физиков доказала, что бывает иначе. Учёные смешали воду, оксид железа и минерал кальцит. Смесь разогрели до 1000°С под давлением 110 тысяч атмосфер и получили метан! Эти означало, что он может появляться и в глубинах мантии. Не исключено, что оттуда он поднимается в толщу коры. Так что тут нужно искать его скопления и добывать.

Планета, на которой мы живем, третья от Солнца, с естественным спутником - Луной.

Наша планета характеризуется слоевой структурой. Она состоит из твёрдой силикатной оболочки - земной коры, мантии и металлического ядра, внутри твердого, снаружи жидкого.

Граничная зона (поверхность Мохо) отделяет кору Земли от мантии. Она получила свое название в честь югославского сейсмолога А. Мохоровичича, который, изучая балканские землетрясения, установил наличие данного разграничения. Эта зона носит название нижнего рубежа коры земного шара.

Следующий пласт - мантия Земли

Давайте с ним познакомимся. Мантия Земли - это фрагмент, который располагается под корой и почти доходит до сердцевины. Иными словами, это пелена, которая укрывает «сердце» Земли. Это основная составляющая земного шара.

Она состоит из пород, в структуру которых входят силикаты железа, кальция, магния и др. Вообще, ученые полагают, что ее внутреннее содержание схоже по составу с каменными метеоритами (хондритами). В большей степени в мантию земли входят химические элементы, которые пребывают в твердом виде или в твердых химических соединениях: железо, кислород, магний, кремний, кальций, оксиды, калий, натрий и др.

Ее никогда не видел глаз человеческий, но, по мнению ученых, она занимает большую часть объема Земли, порядка 83%, масса ее - почти 70% земного шара.

А также есть предположение, что по направлению к земной сердцевине давление увеличивается, а температура доходит до своего максимума.

Вследствие этого температура мантии Земли измеряется не одной тысячей градусов. При таких обстоятельствах, казалось бы, субстанция мантии должна расплавиться или преобразоваться в газообразное состояние, но этот процесс останавливает сильнейшее давление.

Следовательно, мантия Земли находится в кристаллически-твердом состоянии. Хотя при этом накалена.

Каково же строение мантии Земли?

Геосферу можно охарактеризовать наличием трех слоев. Это верхняя мантия Земли, за ней идет астеносфера, и замыкается ряд нижней мантией.

Мантия состоит из верхней и нижней, первая простирается вширь от 800 до 900 км, вторая имеет ширину 2 тысячи километров. Общая толщина мантии Земли (обоих слоев) равняется приблизительно трем тысячам километров.

Наружный фрагмент расположен под земной корой и входит в литосферу, нижний составляют астеносфера и слой Голицина, для которого характерно увеличение скоростей сейсмических волн.

Согласно гипотезе ученых, верхняя мантия образована прочными породами, поэтому твердая. Но на отрезке от 50 до 250 километров от поверхности земной коры есть не в полной мере расплавленная прослойка - астеносфера. Вещество в этой части мантии напоминает аморфное или полурасплавленное состояние.

Этот слой имеет мягкую пластилиновую структуру, по которому перемещаются твердые слои, находящиеся выше. В связи с этой особенностью эта часть мантии имеет способность течь очень медленно, на несколько десятков миллиметров в год. Но тем не менее это весьма ощутимый процесс на фоне движения земной коры.

Процессы, протекающие внутри мантии, оказывают влияние и прямое воздействие на кору земного шара, вследствие чего происходит движение континентов, горообразование, а человечество сталкивается с такими природными явлениями, как вулканизм, землетрясения.

Литосфера

Верхушка мантии, располагающаяся на жаркой астеносфере, в тандеме с земной корой нашей планеты образует прочный корпус - литосферу. В переводе с греческого языка - камень. Она не является цельной, а состоит из литосферных плит.

Их количество - тринадцать, хотя оно не остается постоянным. Движутся они очень медленно, до шести сантиметров в год.

Их совокупные разнонаправленные движения, которые сопровождаются разломами с образованием бороздок земной коры, носят название тектонические.

Этот процесс активируется за счет постоянной миграции составляющих мантии.

Поэтому происходят вышеупомянутые подземные толчки, существуют вулканы, глубоководные впадины, хребты.

Магматизм

Данное действо можно охарактеризовать как непростой процесс. Его запуск происходит благодаря движениям магмы, имеющей отдельные очаги, расположенные в разных слоях астеносферы.

По причине этого процесса на поверхности Земли мы можем наблюдать извержение магмы. Это всем хорошо известные вулканы.

В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2 900 км.

В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия слой В глубиной до 400 км и С до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия слой D до глубины 2700 с переходным слоем D1 от 2700 до 2900 км.

Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращенно, 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 670 км.

Строение Земли по представления различных исследователей

Отличие состава земной коры и мантии - следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и легкую 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 - базальты , коматииты , кимберлиты , лампроиты , карбонатиты и некоторые другие магматические горные породы образуются в результате частичного плавления мантии. Состав расплава является следствием состава плавившихся пород, межанизма 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:

1. Альпинотипные гипербазиты - части мантии, внедренные в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах , от которых и произошло название.
2. Офиолитовые гипербазиты - передотиты в составе офиолитовых комлексов - частей древней океанической коры .
3. 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.

Недавно было объявлено, что японские исследователи планируют предпринять попытку пробурить океаническую кору до мантии. Для этого построен кораблю Тикю . Начало бурения планируется на 2007 год.

Основной недостаток полученной из этих фрагментов информации - невозможность установления геологических соотношений между различными типами пород. Это кусочки паззла. Как сказал классик, «определение состава мантии по ксенолитам напоминает попытки определения геологического строения гор по галькам, которые из них вынесла речка».

Состав мантии

Мантия сложена главным образом ультаосновными породами: 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.

Строение мантии

Процессы, идущие в мантии, оказывают самое непосредственное влияние на земную кору и поверхность земли, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. Всё больше свидетельств того, что на саму мантию активно влияет металлическое ядро планеты.

Конвекция и плюмы

Список литературы

• Пущаровский Д.Ю., Пущаровский Ю.М. Состав и строение мантии Земли // Соросовский Образовательный Журнал, 1998, No 11, с. 111–119 .
• Ковтун А.А. Электропроводность Земли // Соросовский Образовательный Журнал, 1997, No 10, с. 111–117

Источник : Короновский Н.В., Якушова А.Ф. "Основы геологии", М., 1991

Ссылки

• Images of the Earth"s Crust & Upper Mantle // International Geological Correlation Programme (IGCP), Project 474

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 Оно может пролить свет на формирование планеты, дать доступ к редким соединениям и породам, помочь понять механизм землетрясений и 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 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 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 образуют силикаты. В верхнем слое располагаются силикаты магния, с глубиной растет количество силиката железа. В нижней мантии происходит разложение этих соединений на оксиды (SiO 2 , 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 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 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.

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.