Верхняя мантия Земли — очень толстый слой горных пород внутри планеты, который начинается прямо под корой ( примерно в 10 км (6,2 мили) под океанами и примерно в 35 км (22 мили) под континентами) и заканчивается в верхней части нижней мантии на глубине 670 км (420 миль). Температура варьируется от приблизительно 500 К (227 °C; 440 °F) на верхней границе с корой до приблизительно 1200 К (930 °C; 1700 °F) на границе с нижней мантией. Материал верхней мантии, который вышел на поверхность, состоит примерно на 55% из оливина , 35% из пироксена и от 5 до 10% из минералов оксида кальция и оксида алюминия, таких как плагиоклаз , шпинель или гранат , в зависимости от глубины.
Профиль плотности через Землю определяется скоростью сейсмических волн. Плотность постепенно увеличивается в каждом слое, в основном из-за сжатия породы на увеличении глубины. Резкие изменения плотности происходят там, где изменяется состав материала. [1]
Верхняя мантия начинается прямо под корой и заканчивается наверху нижней мантии. Верхняя мантия заставляет тектонические плиты двигаться.
Кора и мантия различаются по составу, тогда как литосфера и астеносфера определяются изменением механических свойств. [2]
Верхняя часть мантии определяется внезапным увеличением скорости сейсмических волн, которое Андрия Мохоровичич впервые отметил в 1909 году; эта граница теперь называется границей Мохоровича или «Мохоровичичем». [3]
Мохоровичич определяет основание коры и варьируется от 10 км (6,2 мили) до 70 км (43 мили) ниже поверхности Земли. Океаническая кора тоньше континентальной и обычно имеет толщину менее 10 км (6,2 мили). Континентальная кора имеет толщину около 35 км (22 мили), но большая кора под Тибетским плато имеет толщину около 70 км (43 мили). [4]
Толщина верхней мантии составляет около 640 км (400 миль). Вся мантия имеет толщину около 2900 км (1800 миль), что означает, что верхняя мантия составляет всего около 20% от общей толщины мантии. [4]
Граница между верхней и нижней мантией представляет собой разрыв в 670 км (420 миль). [2] Землетрясения на небольших глубинах являются результатом сдвиговых сбросов ; однако ниже примерно 50 км (31 мили) горячие условия высокого давления подавляют дальнейшую сейсмичность. Мантия вязкая и неспособна к сбросам . Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются до глубины 670 км (420 миль). [1]
Разрыв Лемана представляет собой резкое увеличение скоростей P -волн и S -волн на глубине 220 км (140 миль) [5] (Обратите внимание, что это другой «разрыв Лемана», нежели тот, что находится между внутренним и внешним ядрами Земли, обозначенный на изображении справа.)
Переходная зона расположена между верхней и нижней мантией на глубине от 410 км (250 миль) до 670 км (420 миль).
Считается, что это происходит в результате перегруппировки зерен в оливине, чтобы сформировать более плотную кристаллическую структуру в результате увеличения давления с увеличением глубины. [6] Ниже глубины 670 км (420 миль) из-за изменений давления минералы рингвудита изменяются в две новые более плотные фазы, бриджманит и периклаз. Это можно увидеть с помощью объемных волн от землетрясений , которые преобразуются, отражаются или преломляются на границе, и предсказать с помощью физики минералов , поскольку изменения фаз зависят от температуры и плотности и, следовательно, от глубины. [6]
Во всех сейсмологических данных виден один пик на глубине 410 км (250 миль), который предсказывается одним переходом от α- к β- Mg 2 SiO 4 (оливин к вадслеиту ). От склона Клапейрона этот разрыв, как ожидается, будет более мелким в холодных регионах, таких как субдуцирующие плиты, и более глубоким в более теплых регионах, таких как мантийные плюмы . [6]
Это самый сложный разрыв, который отмечает границу между верхней и нижней мантией. Он появляется в PP-предшественниках (волна, которая отражается от разрыва один раз) только в определенных регионах, но всегда виден в SS-предшественниках. [6] Он виден как одиночные и двойные отражения в функциях приемника для преобразований P в S в широком диапазоне глубин (640–720 км или 397–447 миль). Склон Клапейрона предсказывает более глубокий разрыв в более холодных регионах и более мелкий разрыв в более горячих регионах. [6] Этот разрыв обычно связан с переходом от рингвудита к бриджманиту и периклазу . [7] Это термодинамически эндотермическая реакция, которая создает скачок вязкости. Обе характеристики заставляют этот фазовый переход играть важную роль в геодинамических моделях. [8]
Существует еще один крупный фазовый переход, предсказанный на глубине 520 км (320 миль) для перехода оливина (β в γ) и граната в пиролитовой мантии. [9] Этот переход наблюдался лишь спорадически в сейсмологических данных. [10]
Были предложены и другие неглобальные фазовые переходы на разных глубинах. [6] [11]
Температуры варьируются от приблизительно 500 К (227 °C; 440 °F) на верхней границе с корой до приблизительно 4200 К (3930 °C; 7100 °F) на границе ядро-мантия. [12] Самая высокая температура верхней мантии составляет 1200 К (930 °C; 1700 °F). [13] Хотя высокая температура намного превышает точки плавления мантийных пород на поверхности, мантия почти исключительно твердая. [14]
Огромное литостатическое давление, оказываемое на мантию, предотвращает плавление , поскольку температура, при которой начинается плавление ( солидус ), увеличивается с давлением. [15] Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен поддерживать вес всего материала над ним. Считается, что вся мантия деформируется как жидкость в длительных временных масштабах с постоянной пластической деформацией.
Максимальное давление в верхней мантии составляет 24,0 ГПа (237 000 атм) [13] по сравнению с нижней частью мантии, которая составляет 136 ГПа (1 340 000 атм) [12] [16] .
Оценки вязкости верхней мантии колеблются от 10 19 до 10 24 Па·с в зависимости от глубины, [17] температуры, состава, состояния напряжения и множества других факторов. Верхняя мантия может течь только очень медленно. Однако, когда большие силы прикладываются к самой верхней мантии, она может ослабнуть, и этот эффект считается важным для формирования границ тектонических плит .
Хотя существует тенденция к большей вязкости на большей глубине, эта зависимость далека от линейной и показывает слои с резко сниженной вязкостью, в частности, в верхней мантии и на границе с ядром. [17]
Из-за разницы температур между поверхностью Земли и внешним ядром, а также способности кристаллических пород при высоком давлении и температуре подвергаться медленной, ползучей, вязкоподобной деформации в течение миллионов лет, в мантии происходит конвективная циркуляция материала. [3]
Горячий материал поднимается , в то время как более холодный (и тяжелый) материал опускается вниз. Движение материала вниз происходит на конвергентных границах плит , называемых зонами субдукции . Прогнозируется, что места на поверхности, которые лежат над плюмами, будут иметь большую высоту (из-за плавучести более горячего, менее плотного плюма ниже) и будут демонстрировать вулканизм горячих точек .
Сейсмических данных недостаточно для определения состава мантии. Наблюдения за горными породами, выходящими на поверхность, и другие свидетельства показывают, что верхняя мантия состоит из темноцветных минералов оливина и пироксена, и имеет плотность около 3,33 г/см 3 (0,120 фунта/куб. дюйм) [1]
Материал верхней мантии, который поднялся на поверхность, содержит около 55% оливина и 35% пироксена, а также от 5 до 10% оксида кальция и оксида алюминия . [1] Верхняя мантия в основном состоит из перидотита , состоящего в основном из переменных пропорций минералов оливина, клинопироксена , ортопироксена и глиноземистой фазы. [1] Глиноземистой фазой является плагиоклаз в самой верхней мантии, затем шпинель, а затем гранат ниже примерно 100 километров (62 мили). [1] Постепенно в верхней мантии пироксены становятся менее стабильными и трансформируются в мажоритовый гранат .
Эксперименты с оливинами и пироксенами показывают, что эти минералы изменяют структуру по мере увеличения давления на большей глубине, что объясняет, почему кривые плотности не идеально гладкие. Когда происходит преобразование в более плотную минеральную структуру, сейсмическая скорость резко возрастает и создает разрыв. [1]
В верхней части переходной зоны оливин претерпевает изохимические фазовые переходы в вадслеит и рингвудит . В отличие от номинально безводного оливина, эти полиморфы оливина высокого давления обладают большой способностью хранить воду в своей кристаллической структуре. Это привело к гипотезе о том, что переходная зона может содержать большое количество воды. [18]
В недрах Земли оливин встречается в верхней мантии на глубине менее 410 километров (250 миль), а рингвудит предполагается в переходной зоне на глубине от 520 до 670 километров (от 320 до 420 миль). Сейсмические разрывы активности на глубине около 410 километров (250 миль), 520 километров (320 миль) и 670 километров (420 миль) были приписаны фазовым изменениям с участием оливина и его полиморфов .
В основании переходной зоны рингвудит распадается на бриджманит (ранее называвшийся магниевым силикатом перовскитом) и ферропериклаз . Гранат также становится нестабильным в основании переходной зоны или немного ниже.
Кимберлиты вырываются из недр земли и иногда несут в себе обломки горных пород. Некоторые из этих ксенолитических обломков — это алмазы, которые могут появиться только из-за более высокого давления под корой. Породы, которые появляются вместе с этим, — это ультрамафические конкреции и перидотит. [1]
Состав, по-видимому, очень похож на состав коры. Одно из отличий заключается в том, что породы и минералы мантии, как правило, содержат больше магния и меньше кремния и алюминия, чем кора. Первые четыре наиболее распространенных элемента в верхней мантии — это кислород, магний, кремний и железо.
_Model.jpg/1280px-Chikyu_(drilling_ship)_Model.jpg)
Исследование мантии обычно проводится на морском дне, а не на суше из-за относительной тонкости океанической коры по сравнению со значительно более толстой континентальной корой.
Первая попытка исследования мантии, известная как Project Mohole , была прекращена в 1966 году после повторных неудач и перерасхода средств. Самое глубокое проникновение составило приблизительно 180 м (590 футов). В 2005 году океаническая скважина достигла 1416 метров (4646 футов) ниже морского дна с океанского бурового судна JOIDES Resolution .
5 марта 2007 года группа ученых на борту RRS James Cook отправилась в путешествие в район Атлантического морского дна, где мантия обнажена без коры, на полпути между островами Зеленого Мыса и Карибским морем . Обнаженный участок находится примерно в 3 километрах (1,9 мили) под поверхностью океана и занимает тысячи квадратных километров. [21] [22] [23]
Миссия Chikyu Hakken попыталась использовать японское судно Chikyū для бурения на глубину до 7000 м (23 000 футов) ниже морского дна. 27 апреля 2012 года Chikyū пробурила скважину на глубину 7740 метров (25 390 футов) ниже уровня моря, установив новый мировой рекорд по глубоководному бурению. Этот рекорд с тех пор был превзойден злополучной мобильной морской буровой установкой Deepwater Horizon , работающей на перспективном участке Тибр в месторождении Миссисипи-Каньон, Мексиканский залив, США, когда она достигла мирового рекорда по общей длине вертикальной буровой колонны в 10 062 м (33 011 футов). [24] Предыдущий рекорд был установлен американским судном Glomar Challenger , которое в 1978 году пробурило скважину на глубину 7049,5 метров (23 130 футов) ниже уровня моря в Марианской впадине . [25] 6 сентября 2012 года научное глубоководное буровое судно Chikyū установило новый мировой рекорд, пробурив скважину и получив образцы горных пород с глубины более 2111 метров (6926 футов) ниже морского дна у полуострова Симокита в Японии на северо-западе Тихого океана.
В 2005 году был предложен новый метод исследования верхних нескольких сотен километров Земли, состоящий из небольшого, плотного, генерирующего тепло зонда, который плавит свой путь вниз через кору и мантию, в то время как его положение и продвижение отслеживаются акустическими сигналами, генерируемыми в породах. [26] Зонд состоит из внешней сферы из вольфрама диаметром около 1 метра (3 фута 3 дюйма) с внутренним содержанием кобальта-60, действующим как источник радиоактивного тепла. Это должно занять полгода, чтобы достичь океанической Мохоровичича . [27]
Исследование также может быть подкреплено компьютерным моделированием эволюции мантии. В 2009 году суперкомпьютерное приложение предоставило новое понимание распределения месторождений полезных ископаемых, особенно изотопов железа, с момента развития мантии 4,5 миллиарда лет назад. [28]
В 2023 году JOIDES Resolution извлекла керны того, что, по-видимому, было горной породой из верхней мантии после бурения всего на несколько сотен метров в массиве Атлантис . Скважина достигла максимальной глубины 1268 метров и извлекла 886 метров образцов горной породы, состоящих в основном из перидотита . Существуют споры о том, в какой степени образцы представляют верхнюю мантию, и некоторые утверждают, что воздействие морской воды на образцы помещает их в качестве примеров глубокой нижней коры. Однако образцы представляют собой гораздо более близкий аналог мантийной породы, чем магматические ксенолиты , поскольку отобранная порода никогда не плавилась в магму и не перекристаллизовывалась. [29]
На следующей неделе группа ученых отправится в плавание, чтобы изучить "открытую рану" на дне Атлантического океана, где глубокие недра Земли лежат обнаженными без какой-либо коры.
Ученые из Кардиффского университета вскоре отправятся в плавание (5 марта), чтобы исследовать поразительное открытие в глубинах Атлантики.
Амбициозный японский проект по углублению поверхности Земли глубже, чем когда-либо прежде, станет прорывом в обнаружении землетрясений, включая страшное "Большое землетрясение" в Токио, заявили в четверг официальные лица.