Литосфера (от древнегреческого λίθος ( líthos ) «каменистый» и σφαίρα ( sphaíra ) « сфера») — это твердая, [1] самая внешняя каменистая оболочка планеты земной группы или естественного спутника . На Земле она состоит из земной коры и литосферной мантии , самой верхней части верхней мантии , которая ведет себя упруго во временных масштабах до тысяч лет и более. По химическому и минералогическому признакам выделяют земную кору и верхнюю мантию .
Литосфера Земли, составляющая твердый и жесткий внешний вертикальный слой Земли, включает земную кору и литосферную мантию (или мантийную литосферу), самую верхнюю часть мантии, не подвергающуюся конвекции. Под литосферой лежит астеносфера , которая представляет собой более слабую, горячую и глубокую часть верхней мантии, способную к конвекции. Граница литосферы и астеносферы определяется разницей в реакции на стресс. Литосфера остается жесткой в течение очень длительных периодов геологического времени, в течение которых она деформируется упруго и хрупко, в то время как астеносфера деформируется вязко и воспринимает напряжение посредством пластической деформации . [ нужна цитата ]
Таким образом, мощность литосферы считается глубиной до изотермы, связанной с переходом от хрупкого к вязкому поведению. [2] Температура, при которой оливин становится пластичным (~ 1000 °C или 1830 °F), часто используется для определения этой изотермы, поскольку оливин, как правило, является самым слабым минералом в верхней мантии. [3]
Литосфера подразделяется по горизонтали на тектонические плиты , которые часто включают террейны , сросшиеся с другими плитами. [ нужна цитата ]
Концепция литосферы как прочного внешнего слоя Земли была описана английским математиком А.Э. Лавом в его монографии 1911 года «Некоторые проблемы геодинамики» и получила дальнейшее развитие у американского геолога Джозефа Баррелла , написавшего серию статей об этой концепции и представившего термин «литосфера». [4] [5] [6] [7] Эта концепция была основана на наличии значительных гравитационных аномалий над континентальной корой, из чего он сделал вывод, что над материковой корой должен существовать прочный, твердый верхний слой (который он назвал литосферой). более слабый слой, который мог течь (который он назвал астеносферой ) . Эти идеи были развиты канадским геологом Реджинальдом Олдвортом Дейли в 1940 году в его основополагающей работе «Прочность и структура Земли». [8] Они получили широкое признание геологов и геофизиков. Эти представления о сильной литосфере, покоящейся на слабой астеносфере, важны для теории тектоники плит . [ нужна цитата ]
Литосферу можно разделить на океаническую и континентальную литосферу. Океаническая литосфера связана с океанической корой (имеющей среднюю плотность около 2,9 грамма на кубический сантиметр или 0,10 фунта на кубический дюйм) и существует в океанических бассейнах . Континентальная литосфера связана с континентальной корой (имеющей среднюю плотность около 2,7 грамма на кубический сантиметр или 0,098 фунта на кубический дюйм) и лежит в основе континентов и континентальных шельфов. [9]
Океаническая литосфера состоит в основном из основной коры и ультраосновной мантии ( перидотита ) и более плотная, чем континентальная литосфера. Молодая океаническая литосфера, встречающаяся на срединно-океанических хребтах , не толще земной коры, но океаническая литосфера по мере старения утолщается и удаляется от срединно-океанического хребта. Самая старая океаническая литосфера обычно имеет толщину около 140 километров (87 миль). [3] Это утолщение происходит за счет кондуктивного охлаждения, которое превращает горячую астеносферу в литосферную мантию и приводит к тому, что океаническая литосфера с возрастом становится все более толстой и плотной. Фактически океаническая литосфера является тепловым пограничным слоем для конвекции [ 10] в мантии. Толщину мантийной части океанической литосферы можно аппроксимировать термическим пограничным слоем, утолщающимся пропорционально квадратному корню из времени. [ нужна цитата ]
Здесь – мощность океанической мантийной литосферы, – температуропроводность (около 1,0 × 10–6 м 2 /с или 6,5 × 10–4 кв . фут/мин) для силикатных пород, – возраст данной части литосфера. Возраст часто равен L/V, где L — расстояние от центра спрединга срединно-океанического хребта , а V — скорость движения литосферной плиты. [11]
Океаническая литосфера менее плотна, чем астеносфера, в течение нескольких десятков миллионов лет, но после этого становится все более плотной, чем астеносфера. Хотя химически дифференцированная океаническая кора легче астеносферы, тепловое сжатие мантийной литосферы делает ее более плотной, чем астеносфера. Гравитационная нестабильность зрелой океанической литосферы приводит к тому, что в зонах субдукции океаническая литосфера неизменно погружается под доминирующую литосферу, которая может быть океанической или континентальной. Новая океаническая литосфера постоянно образуется на срединно-океанических хребтах и возвращается обратно в мантию в зонах субдукции. В результате океаническая литосфера намного моложе континентальной: возраст самой старой океанической литосферы составляет около 170 миллионов лет, а возраст частей континентальной литосферы составляет миллиарды лет. [12] [13]
Геофизические исследования начала 21 века показывают, что большие куски литосферы были погружены в мантию на глубину до 2900 километров (1800 миль) почти до границы ядра и мантии [14] , в то время как другие «плавают» в верхней мантии. [15] [16] Третьи проникают в мантию на глубину до 400 километров (250 миль), но остаются «прикрепленными» к континентальной плите наверху, [13] аналогично старой концепции «текосферы», пересмотренной Иордания в 1988 году. [17] Субдуцирующая литосфера остается жесткой (о чем свидетельствуют глубокие землетрясения вдоль зоны Вадати-Беньоффа ) на глубине около 600 километров (370 миль). [18]
Континентальная литосфера имеет толщину от примерно 40 километров (25 миль) до, возможно, 280 километров (170 миль); [3] Верхние примерно 30–50 километров (19–31 миль) типичной континентальной литосферы представляют собой кору. Кора отличается от верхней мантии изменением химического состава, происходящим на разрыве Мохо . Под кратонами залегают древнейшие части континентальной литосферы , причем мантийная литосфера там толще и менее плотна, чем типичная; относительно низкая плотность таких мантийных «корней кратонов» помогает стабилизировать эти регионы. [12] [13]
Из-за своей относительно низкой плотности континентальная литосфера, достигающая зоны субдукции, не может погружаться дальше, чем примерно на 100 км (62 мили), прежде чем выйти на поверхность. В результате континентальная литосфера не перерабатывается в зонах субдукции так, как перерабатывается океаническая литосфера. Вместо этого континентальная литосфера является почти постоянным элементом Земли. [19] [20]
Геологи могут непосредственно изучать природу субконтинентальной мантии, исследуя мантийные ксенолиты [21] , поднятые в кимберлитовых , лампроитовых и других вулканических трубках . История этих ксенолитов была исследована многими методами, включая анализ содержания изотопов осмия и рения . Такие исследования подтвердили, что мантийные литосферы под некоторыми кратонами сохранялись в течение периодов, превышающих 3 миллиарда лет, несмотря на поток мантии, сопровождающий тектонику плит. [22]
Верхняя часть литосферы является обширной средой обитания микроорганизмов , некоторые из которых встречаются на глубине более 4,8 км (3 миль) от поверхности Земли. [23]
