stringtranslate.com

Астеносфера

Астеносфера, показанная на границе субдукции

Астеносфера (от др.-греч. ἀσθενός ( asthenós )  «без прочности») — механически слабая [1] и пластичная область верхней мантии Земли. Она лежит под литосферой , на глубине от 80 до 200 км (от 50 до 120 миль ) от поверхности и простирается до глубины 700 км (430 миль). Однако нижняя граница астеносферы не определена четко.

Астеносфера почти твердая, но небольшое количество плавления (менее 0,1% породы) способствует ее механической слабости. Более обширное декомпрессионное плавление астеносферы происходит там, где она поднимается вверх, и это самый важный источник магмы на Земле. Это источник базальта срединно-океанического хребта (MORB) и некоторых магм, которые извергаются над зонами субдукции или в регионах континентального рифтинга .

Характеристики

Астеносфера по отношению к другим слоям структуры Земли

Астеносфера — это часть верхней мантии, расположенная непосредственно под литосферой , которая участвует в движении тектонических плит и изостатических корректировках. Она состоит из перидотита , породы, содержащей в основном минералы оливин и пироксен . [2] Граница литосферы и астеносферы традиционно принимается на изотерме 1300 °C (2370 °F) . Ближе к поверхности при более низких температурах мантия ведет себя жестко; глубже под поверхностью при более высоких температурах мантия движется пластично . [ 3] Астеносфера — это то место, где мантийная порода наиболее близко приближается к своей точке плавления, и в этом слое, вероятно, присутствует небольшое количество расплава. [4]

Сейсмические волны проходят через астеносферу относительно медленно [5] по сравнению с вышележащей литосферной мантией. Таким образом, она была названа зоной низкой скорости (LVZ), хотя эти две зоны не являются строго одинаковыми; [6] [7] нижняя граница LVZ лежит на глубине от 180 до 220 километров (от 110 до 140 миль), [8] тогда как основание астеносферы лежит на глубине около 700 километров (430 миль). [9] LVZ также имеет высокое сейсмическое затухание (сейсмические волны, движущиеся через астеносферу, теряют энергию) и значительную анизотропию (сдвиговые волны, поляризованные вертикально, имеют более низкую скорость, чем сдвиговые волны, поляризованные горизонтально). [10] Открытие LVZ предупредило сейсмологов о существовании астеносферы и дало некоторую информацию о ее физических свойствах, поскольку скорость сейсмических волн уменьшается с уменьшением жесткости . Это уменьшение скорости сейсмических волн от литосферы к астеносфере может быть вызвано наличием очень небольшого процента расплава в астеносфере, хотя, поскольку астеносфера проводит S-волны , она не может быть полностью расплавлена. [4]

В океанической мантии переход от литосферы к астеносфере (LAB) более мелкий, чем в континентальной мантии (около 60 км в некоторых старых океанических регионах) с резким и большим падением скорости (5–10%). [11] В срединно-океанических хребтах LAB поднимается до нескольких километров от дна океана.

Верхняя часть астеносферы считается зоной, по которой движутся большие жесткие и хрупкие литосферные плиты земной коры . Из-за температурных и давлений в астеносфере порода становится пластичной , двигаясь со скоростью деформации, измеряемой в см/год, на линейных расстояниях, в конечном итоге измеряемых тысячами километров. Таким образом, она течет как конвекционный поток, излучая тепло наружу из недр Земли. Выше астеносферы, при той же скорости деформации, порода ведет себя упруго и, будучи хрупкой, может ломаться, вызывая разломы . Считается, что жесткая литосфера «плавает» или движется по медленно текущей астеносфере, обеспечивая изостатическое равновесие [12] и позволяя движение тектонических плит . [13] [14]

Границы

Астеносфера простирается от верхней границы примерно на глубине от 80 до 200 км (от 50 до 120 миль) под поверхностью [15] [7] до нижней границы на глубине примерно 700 километров (430 миль). [9]

Граница литосферы и астеносферы

Граница литосферы и астеносферы (LAB [15] [7] ) является относительно резкой и, вероятно, совпадает с началом частичного плавления или изменением состава или анизотропии . [16] Различные определения границы отражают различные аспекты пограничной области. В дополнение к механической границе, определенной сейсмическими данными, которая отражает переход от жесткой литосферы к пластичной астеносфере, они включают тепловой пограничный слой, выше которого тепло переносится теплопроводностью, а ниже которого теплопередача в основном конвективная ; реологическую границу, где вязкость падает ниже примерно 10 21 Па-с; и химический пограничный слой, выше которого мантийная порода обедняется летучими веществами и обогащается магнием относительно нижележащей породы. [17]

Нижняя граница астеносферы

Нижняя граница астеносферы, верхняя часть предварительно определенной мезосферы или мезосферной оболочки [18] , определена менее четко, но была помещена в основание верхней мантии. [19] Эта граница не является ни сейсмически четкой, ни хорошо изученной [9], но приблизительно совпадает со сложным разрывом протяженностью 670 км. [20] Этот разрыв обычно связан с переходом от мантийной породы, содержащей рингвудит, к мантийной породе, содержащей бриджманит и периклаз . [21]

Источник

Механические свойства астеносферы широко приписываются частичному плавлению породы. [4] Вероятно, что небольшое количество расплава присутствует в большей части астеносферы, где оно стабилизируется следами летучих веществ (воды и углекислого газа), присутствующих в мантийной породе. [2] Однако вероятное количество расплава, не более примерно 0,1% породы, кажется недостаточным для полного объяснения существования астеносферы. Этого расплава недостаточно для полного смачивания границ зерен в породе, и влияние расплава на механические свойства породы, как ожидается, не будет значительным, если границы зерен не полностью смачиваются. Резкую границу литосфера-астеносфера также трудно объяснить только частичным плавлением. [10] Возможно, что астеносфера является зоной минимальной растворимости воды в минералах мантии, так что больше воды доступно для образования большего количества расплава. [22] Другим возможным механизмом создания механической слабости является скольжение по границам зерен, когда зерна слегка скользят друг мимо друга под напряжением, смазанные следами присутствующих летучих веществ. [10] Ослабление под океаническими плитами частично вызвано самим их движением, благодаря нелинейному механизму ползучести дислокаций. [23]

Численные модели мантийной конвекции, в которых вязкость зависит как от температуры, так и от скорости деформации, надежно создают океаническую астеносферу, предполагая, что ослабление скорости деформации является существенным способствующим механизмом [24] и объясняя особенно слабую астеносферу под Тихоокеанской плитой. [23]

Образование магмы

Декомпрессионное плавление астеносферных пород, сползающих к поверхности, является важнейшим источником магмы на Земле. Большая часть извергается на срединно-океанических хребтах , образуя характерный срединно-океанический базальт (MORB) океанической коры. [25] [26] [27] Магмы также генерируются декомпрессионным плавлением астеносферы над зонами субдукции [28] и в областях континентального рифтинга . [29] [30]

Декомпрессионное плавление в восходящей астеносфере, вероятно, начинается на глубине от 100 до 150 километров (от 60 до 90 миль), где небольшое количество летучих веществ в мантийной породе (около 100  ppm воды и 60 ppm углекислого газа ) способствует плавлению не более 0,1% породы. На глубине около 70 километров (40 миль) достигаются условия сухого плавления, и плавление существенно усиливается. Это обезвоживает оставшуюся твердую породу и, вероятно, является источником химически истощенной литосферы. [2] [10]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Баррелл, Дж. (1914). «Прочность коры, часть VI. Отношения изостатических движений к сфере слабости – астеносфере». Журнал геологии . 22 (7): 655–83. Bibcode : 1914JG.....22..655B. doi : 10.1086/622181. JSTOR  30060774. S2CID  224832862.
  2. ^ abc Хиршманн 2010.
  3. ^ Селф, Стив; Рампино, Майк (2012). «Кора и литосфера». Геологическое общество Лондона . Получено 27 января 2013 г.
  4. ^ abc Кирей, Клепеис и Вайн 2009, стр. 49.
  5. ^ Форсайт, Дональд В. (1975). «Ранняя структурная эволюция и анизотропия верхней мантии океана». Geophysical Journal International . 43 (1): 103–162. Bibcode : 1975GeoJ...43..103F. doi : 10.1111/j.1365-246X.1975.tb00630.x .
  6. ^ Кири, П., ред. (1993). Энциклопедия наук о твердой Земле. Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 978-1-4443-1388-8. OCLC  655917296.
  7. ^ abc Эппельбаум, Лев В.; Кутасов И.М.; Пильчин, Аркадий (2013). Прикладная геотермия. Берлин, Германия. ISBN 978-3-642-34023-9. OCLC  879327163.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  8. ^ Конди, Кент С. (1997). Тектоника плит и эволюция земной коры. Баттерворт-Хайнеманн . стр. 123. ISBN 978-0-7506-3386-4. Получено 21 мая 2010 г.
  9. ^ abc Кирей, Клепеис и Вайн 2009, стр. 51.
  10. ^ abcd Карато 2012.
  11. ^ Райхерт, Кэтрин А.; Ширер, Питер М. (2011). «Визуализация границы литосферы и астеносферы под Тихим океаном с использованием моделирования формы волны SS». Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 116 (B7): B07307. Bibcode : 2011JGRB..116.7307R. doi : 10.1029/2010JB008070.
  12. ^ Кири, Клепеис и Вайн 2009, стр. 48–49.
  13. ^ Хендрикс, Марк; Томпсон, Грэм Р.; Турк, Джонатан (2015). Earth (2-е изд.). Стэмфорд, Коннектикут. ISBN 978-1-285-44226-6. OCLC  864788835.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  14. ^ Гаррисон, Том; Эллис, Роберт (2017). Основы океанографии (8-е изд.). Пасифик-Гроув, Калифорния. ISBN 978-1-337-51538-2. OCLC  1100670264.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  15. ^ ab Gupta, Harsh K., ред. (2011). Энциклопедия геофизики твердой Земли. Дордрехт, Нидерланды: Springer. ISBN 978-90-481-8702-7. OCLC  745002805.
  16. ^ Райхерт, Кэтрин А.; Ширер, Питер М. (24 апреля 2009 г.). «Глобальный взгляд на границу литосферы и астеносферы». Science . 324 (5926): 495–498. Bibcode :2009Sci...324..495R. doi :10.1126/science.1169754. PMID  19390041. S2CID  329976.
  17. ^ Артемьева, Ирина (2011). Литосфера . С. 6, 12. doi :10.1017/CBO9780511975417. ISBN 978-0-511-97541-7.
  18. ^ Дейли, Реджинальд Олдворт (1940). Прочность и структура Земли . Prentice-Hall.
  19. ^ Андерсон, Дон Л. (1995). «Литосфера, астеносфера и перисфера». Обзоры геофизики . 33 (1): 125–149. Bibcode : 1995RvGeo..33..125A. doi : 10.1029/94RG02785. ISSN  8755-1209.
  20. ^ Фаулер, CMR; Фаулер, Конни Мэй (2005). Твердая Земля: Введение в глобальную геофизику . Cambridge University Press. ISBN 978-0521893077.
  21. ^ Ито, Э.; Такахаши, Э. (1989). «Постшпинельные превращения в системе Mg2SiO4-Fe2SiO4 и некоторые геофизические последствия». Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 94 (B8): 10637–10646. Bibcode : 1989JGR....9410637I. doi : 10.1029/jb094ib08p10637.
  22. ^ Мирдель, Катрин; Кепплер, Ганс; Смит, Джозеф Р.; Лангенхорст, Фалько (19 января 2007 г.). «Растворимость воды в глиноземистом ортопироксене и происхождение астеносферы Земли». Наука . 315 (5810): 364–368. Бибкод : 2007Sci...315..364M. дои : 10.1126/science.1135422. PMID  17234945. S2CID  33006157.
  23. ^ аб Паточка, Чижкова и Покорны 2024.
  24. ^ Беккер, Торстен В. (ноябрь 2006 г.). «О влиянии вязкости, зависящей от температуры и скорости деформации, на глобальный поток мантии, чистое вращение и силы движения плит». Geophysical Journal International . 167 (2): 943–957. Bibcode : 2006GeoJI.167..943B. doi : 10.1111/j.1365-246X.2006.03172.x .
  25. ^ Коннолли, Джеймс AD; Шмидт, Макс В.; Сольферино, Джулио; Багдасаров, Николай (ноябрь 2009 г.). «Проницаемость астеносферной мантии и скорость извлечения расплава на срединно-океанических хребтах». Природа . 462 (7270): 209–212. Бибкод : 2009Natur.462..209C. дои : 10.1038/nature08517. PMID  19907492. S2CID  4352616.
  26. ^ Олив, Жан-Артур; Дубланше, Пьер (ноябрь 2020 г.). «Контроль магматической фракции расширения срединно-океанических хребтов». Earth and Planetary Science Letters . 549 : 116541. Bibcode : 2020E&PSL.54916541O. doi : 10.1016/j.epsl.2020.116541 . S2CID  224923541.
  27. ^ Хофманн, AW (1997). «Геохимия мантии: послание океанического вулканизма». Nature . 385 (6613): 219–228. Bibcode :1997Natur.385..219H. doi :10.1038/385219a0. S2CID  11405514.
  28. ^ Conder, James A.; Wiens, Douglas A.; Morris, Julie (август 2002 г.). «О структуре декомпрессионного плавления в вулканических дугах и задуговых спрединговых центрах: плавление дуг и задуговых плавлений». Geophysical Research Letters . 29 (15): 17–1–17-4. doi : 10.1029/2002GL015390 . S2CID  29842432.
  29. ^ Keen, CE; Courtney, RC; Dehler, SA; Williamson, M.-C. (февраль 1994 г.). «Декомпрессионное плавление на рифтовых окраинах: сравнение модельных прогнозов с распределением магматических пород на восточной канадской окраине». Earth and Planetary Science Letters . 121 (3–4): 403–416. Bibcode : 1994E&PSL.121..403K. doi : 10.1016/0012-821X(94)90080-9.
  30. ^ Sternai, Pietro (декабрь 2020 г.). "Поверхностные процессы, вызывающие плавление объемных пород". Scientific Reports . 10 (1): 7711. Bibcode :2020NatSR..10.7711S. doi :10.1038/s41598-020-63920-w. PMC 7206043 . PMID  32382159. 

Библиография

Внешние ссылки