stringtranslate.com

мантия Земли

Внутреннее строение Земли

Мантия Земли представляет собой слой силикатной породы между земной корой и внешним ядром . Он имеет массу 4,01 × 10 24  кг (8,84 × 10 24  фунта) и, таким образом, составляет 67% массы Земли. [1] Его толщина составляет 2900 километров (1800 миль) [1] , что составляет около 46% радиуса Земли и 84% объема Земли. Он преимущественно твердый, но в масштабах геологического времени ведет себя как вязкая жидкость , иногда описываемая как имеющая консистенцию карамели . [2] [3] Частичное плавление мантии на срединно-океанических хребтах образует океаническую кору , а частичное плавление мантии в зонах субдукции образует континентальную кору . [4]

Состав

Реология

Мантия Земли разделена на два основных реологических слоя: твердую литосферу , включающую самую верхнюю мантию, и более пластичную астеносферу , разделенную границей литосферы и астеносферы . Литосфера, подстилающая океанскую кору, имеет толщину около 100 км (62 мили), тогда как литосфера, подстилающая континентальную кору, обычно имеет толщину 150–200 км (93–124 мили). [5] Литосфера и вышележащая кора составляют тектонические плиты , которые движутся по астеносфере.

Мантия Земли разделена на три основных слоя, определяемых внезапными изменениями скорости сейсмических волн: [6]

Нижние ~200 км нижней мантии составляют слой D" ( D-double-prime ) — область с аномальными сейсмическими свойствами. Эта область также содержит крупные провинции с низкими скоростями сдвига и зоны сверхнизких скоростей .

Минералогическая структура

Минеральные преобразования в мантии.

Верхняя часть мантии определяется внезапным увеличением сейсмической скорости, которое впервые заметил Андрия Мохоровичич в 1909 году; эта граница теперь называется разрывом Мохоровичича или «Мохо». [8] [9]

Верхняя мантия состоит преимущественно из перидотита , состоящего в основном из различных пропорций минералов оливина , клинопироксена , ортопироксена и глиноземистой фазы. Глиноземистая фаза представляет собой плагиоклаз в самой верхней мантии, затем шпинель , а затем гранат ниже ~ 100 км (62 миль). [10] Постепенно через верхнюю мантию пироксены становятся менее стабильными и превращаются в мэйджоритовый гранат . [11]

В верхней части переходной зоны оливин претерпевает изохимические фазовые переходы в вадслеит и рингвудит . В отличие от номинально безводного оливина, эти полиморфные модификации оливина высокого давления обладают большой способностью удерживать воду в своей кристаллической структуре. Это привело к гипотезе о том, что в переходной зоне может находиться большое количество воды. [12] В основании переходной зоны рингвудит разлагается на бриджманит (ранее называвшийся перовскитом силиката магния) и ферропериклаз. Гранат также становится нестабильным на уровне основания переходной зоны или немного ниже него. [13]

Нижняя мантия состоит в основном из бриджманита и ферропериклаза с небольшими количествами кальциевого перовскита , кальций-ферритного структурированного оксида и стишовита . В самых нижних около 200 км (120 миль) мантии бриджманит изохимически превращается в постперовскит. [14]

Возможные остатки столкновения Тейи

Сейсмические изображения недр Земли выявили в самых нижних слоях мантии две аномалии размером с континент с низкими сейсмическими скоростями . Эти зоны более плотные и, вероятно, по составу отличаются от окружающей мантии. Эти аномалии могут представлять собой захороненные реликвии мантийного материала Тейи , оставшиеся после удара гиганта , образовавшего Луну . [15]

Состав

Зеленые ксенолиты перидотита из мантии окружены черной вулканической лавой. Эти ксенолиты перидотита были вынесены вверх из мантии расплавленной магмой во время извержения вулкана в Аризоне.

Химический состав мантии трудно определить с высокой степенью достоверности, поскольку он во многом недоступен. Редкие обнажения мантийных пород встречаются в офиолитах , где участки океанической литосферы были перенесены на континент. Мантийные породы также отбираются в виде ксенолитов в базальтах или кимберлитах .

Большинство оценок состава мантии основано на породах, отобранных только из самой верхней мантии. Ведутся споры о том, имеет ли остальная часть мантии, особенно нижняя мантия, такой же валовой состав. [18] Состав мантии менялся на протяжении истории Земли из-за добычи магмы , которая затвердела, образовав океаническую и континентальную кору.

В исследовании 2018 года также было высказано предположение, что экзотическая форма воды, известная как лед VII, может образовываться из сверхкритической воды в мантии, когда алмазы, содержащие пузырьки воды под давлением, движутся вверх, охлаждая воду до условий, необходимых для образования льда VII. [19]

Температура и давление

В мантии температура колеблется от примерно 500 К (227 ° C; 440 ° F) на верхней границе с корой до примерно 4200 К (3930 ° C; 7 100 ° F) на границе ядро-мантия . [20] Температура мантии быстро возрастает в термических пограничных слоях вверху и внизу мантии и постепенно увеличивается внутри мантии. [21] Хотя более высокие температуры намного превышают температуры плавления мантийных пород на поверхности (около 1500 К [1230 ° C; 2240 ° F] для характерного перидотита), мантия почти исключительно твердая. [22] Огромное литостатическое давление , оказываемое на мантию, предотвращает плавление, поскольку температура, при которой начинается плавление (солидус ) , увеличивается с давлением.

Давление в мантии увеличивается с нескольких сотен мегапаскалей в Мохо до 139  ГПа (20 200 000  фунтов на квадратный дюйм ; 1 370 000  атм ) на границе ядра и мантии. [20]

Движение

Этот рисунок представляет собой снимок одного временного шага модели мантийной конвекции. Цвета ближе к красному — это горячие области, а цвета ближе к синему — холодные области. На этом рисунке тепло, полученное на границе ядро-мантия, приводит к тепловому расширению материала в нижней части модели, уменьшая его плотность и заставляя его поднимать шлейфы горячего материала вверх. Аналогичным образом охлаждение материала на поверхности приводит к его опусканию.

Из-за разницы температур между поверхностью Земли и внешним ядром, а также способности кристаллических пород при высоких давлениях и температурах подвергаться медленной, ползучей, вязкоподобной деформации в течение миллионов лет, в мантии существует конвективная циркуляция вещества. [8] Горячий материал поднимается вверх , а более холодный (и более тяжелый) материал опускается вниз. Движение материала вниз происходит на сходящихся границах плит , называемых зонами субдукции. По прогнозам, места на поверхности, лежащие над шлейфами, будут иметь большую высоту (из-за плавучести более горячего и менее плотного шлейфа внизу) и проявлять вулканическую активность в горячих точках . Вулканизм, который часто приписывают глубоким мантийным плюмам, альтернативно объясняется пассивным расширением коры, позволяющим магме просачиваться на поверхность: гипотеза плит . [23]

Конвекция мантии Земли — хаотический процесс (в смысле гидродинамики), который считается неотъемлемой частью движения плит . Движение плит не следует путать с дрейфом континентов , который относится исключительно к движению компонентов земной коры континентов. Движения литосферы и подстилающей мантии связаны, поскольку нисходящая литосфера является важным компонентом конвекции в мантии. Наблюдаемый дрейф континентов представляет собой сложную взаимосвязь между силами, вызывающими опускание океанической литосферы, и движениями мантии Земли.

Хотя существует тенденция к увеличению вязкости на большей глубине, эта зависимость далека от линейной и демонстрирует слои с резко пониженной вязкостью, особенно в верхней мантии и на границе с ядром. [24] Мантия в пределах примерно 200 км (120 миль) над границей ядро-мантия, по-видимому, имеет совершенно другие сейсмические свойства, чем мантия на несколько меньших глубинах; эта необычная мантийная область чуть выше ядра называется D″ («D двойной штрих») — номенклатура, введенная более 50 лет назад геофизиком Китом Булленом . [25] D″ может состоять из материала субдуцированных плит , которые опустились и остановились на границе ядро-мантия, или из новой минеральной полиморфной модификации, обнаруженной в перовските, называемой постперовскит.

Землетрясения на небольших глубинах являются результатом разломов; однако ниже примерно 50 км (31 мили) жаркие условия с высоким давлением должны препятствовать дальнейшей сейсмичности. Мантия считается вязкой и неспособной к хрупким разломам. Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются на высоте до 670 км (420 миль). Для объяснения этого явления был предложен ряд механизмов, включая обезвоживание, тепловой неуправляемый процесс и фазовый переход. Геотермический градиент может быть снижен, когда холодный материал с поверхности опускается вниз, увеличивая прочность окружающей мантии и позволяя землетрясениям происходить на глубине от 400 км (250 миль) до 670 км (420 миль). [26]

Давление у основания мантии составляет ~ 136 ГПа (19 700 000 фунтов на квадратный дюйм; 1 340 000 атм). [27] Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен выдерживать вес всего материала над ним. Однако считается, что вся мантия деформируется как жидкость в течение длительного времени, причем постоянная пластическая деформация компенсируется движением точечных, линейных и/или плоских дефектов через твердые кристаллы, составляющие мантию. Оценки вязкости верхней мантии лежат в пределах10 19 и10 24 Па·с , в зависимости от глубины, [24] температуры, состава, состояния напряжения и множества других факторов. Таким образом, верхняя мантия может течь очень медленно. Однако когда к самой верхней мантии прикладывают большие силы, она может стать слабее, и считается, что этот эффект важен для формирования границ тектонических плит. [28]

Исследование

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 Проект Мохол , была прекращена в 1966 году из-за неоднократных неудач и перерасхода средств. Наибольшая глубина проникновения составила примерно 180 м (590 футов). В 2005 году океаническая скважина достигла глубины 1416 метров (4646 футов) ниже морского дна с океанского бурового судна JOIDES Резолюция .

Более успешным был Проект глубоководного бурения (DSDP), который действовал с 1968 по 1983 год. Проект DSDP, координируемый Океанографическим институтом Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего , предоставил важные данные для поддержки гипотезы о расширении морского дна и помог доказать эту теорию. тектоники плит . Буровые работы провела компания Glomar Challenger . DSDP была первой из трех международных научных программ океанского бурения, действовавших более 40 лет. Научное планирование проводилось под эгидой Объединенного океанографического института по отбору проб из глубин Земли (JOIDES), чья консультативная группа состояла из 250 выдающихся ученых из академических институтов, государственных учреждений и частного бизнеса со всего мира. Программа океанского бурения (ODP) продолжала разведку с 1985 по 2003 год, когда она была заменена Комплексной программой океанского бурения (IODP). [29]

5 марта 2007 года группа ученых на борту корабля RRS «Джеймс Кук» отправилась в путешествие к участку морского дна Атлантического океана , где обнажена мантия без коры, на полпути между островами Зеленого Мыса и Карибским морем . Обнаруженный участок находится примерно в трех километрах под поверхностью океана и занимает площадь в тысячи квадратных километров. [30] [31] Относительно сложная попытка извлечь образцы из мантии Земли была запланирована на конец 2007 года. [32] Миссия «Чикю Хаккен» попыталась использовать японское судно « Чикю» для бурения на глубине до 7000 м (23 000 футов) ниже морское дно. Это почти в три раза глубже, чем предыдущие бурения в океане .

В 2005 году был предложен новый метод исследования верхних нескольких сотен километров Земли, состоящий из небольшого, плотного, выделяющего тепло зонда, который плавит свой путь сквозь кору и мантию, а его положение и продвижение отслеживаются с помощью акустических сигналов, генерируемых в скалах. [33] Зонд состоит из внешней сферы из вольфрама диаметром около одного метра, а внутренняя часть из кобальта-60 действует как радиоактивный источник тепла. Было подсчитано, что такой зонд достигнет океанического Мохо менее чем за 6 месяцев и достигнет минимальных глубин более 100 км (62 миль) за несколько десятилетий как под океанической , так и под континентальной литосферой . [34]

Исследованиям также может помочь компьютерное моделирование эволюции мантии. В 2009 году приложение суперкомпьютера позволило по-новому взглянуть на распределение месторождений полезных ископаемых, особенно изотопов железа , начиная с периода развития мантии 4,5 миллиарда лет назад. [35]

В 2023 году компания JOIDES Solution извлекла ядра того, что выглядело как горная порода, из верхней мантии, пробурив всего несколько сотен метров в массив Атлантиды . Скважина достигла максимальной глубины 1268 метров и извлекла 886 метров образцов горных пород, состоящих в основном из перидотита . Ведутся споры о том, в какой степени эти образцы представляют верхнюю мантию, при этом некоторые утверждают, что воздействие морской воды на образцы делает их примерами глубокой нижней коры. Однако образцы представляют собой гораздо более близкий аналог мантийных пород, чем магматические ксенолиты , поскольку отобранные породы никогда не превращались в магму и не перекристаллизовывались. [36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Лоддерс, Катарина (1998). Спутник планетолога . Фигли, Брюс. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 1-4237-5983-4. ОСЛК  65171709.
  2. ^ "Домашняя страница PDS/PPI" . pds-ppi.igpp.ucla.edu . Проверено 29 января 2021 г.
  3. ^ «В глубине | Земля». Исследование Солнечной системы НАСА . Проверено 29 января 2021 г.
  4. ^ «Из чего состоит мантия Земли? - Вселенная сегодня» . Вселенная сегодня . 26 марта 2016 г. Проверено 24 ноября 2018 г.
  5. ^ Стивен, Маршак (2015). Земля: Портрет планеты (5-е изд.). Нью-Йорк: WW Norton & Company. ISBN 9780393937503. OCLC  897946590.
  6. ^ Хелфрич, Джордж Р.; Вуд, Бернард Дж. (август 2001 г.). «Мантия Земли». Природа . 412 (6846): 501–507. дои : 10.1038/35087500. PMID  11484043. S2CID  4304379.
  7. ^ Местоположение основания коры варьируется примерно от 10 до 70 км (от 6,2 до 43,5 миль). Толщина океанической коры обычно составляет менее 10 км (6,2 мили). «Стандартная» континентальная кора имеет толщину около 35 км (22 мили), а толщина большого корня коры под Тибетским нагорьем составляет около 70 км (43 мили).
  8. ^ Аб Олден, Эндрю (2007). «Сегодняшняя мантия: экскурсия». О сайте.com . Проверено 25 декабря 2007 г.
  9. ^ «Истрия в Интернете - Выдающиеся истрийцы - Андрия Мохоровичич» . 2007 . Проверено 25 декабря 2007 г.
  10. ^ Макдонаф, Уильям Ф.; Рудник, Роберта Л. (31 декабря 1998 г.). Хемли, Рассел Дж (ред.). «Глава 4. Минералогия и состав верхней мантии». Минералогия сверхвысокого давления : 139–164. дои : 10.1515/9781501509179-006. ISBN 9781501509179.
  11. ^ ван Мирло, WL; Лангенхорст, Ф.; Фрост, диджей ; Руби, округ Колумбия (май 2013 г.). «Застой погружающихся плит в переходной зоне из-за медленной диффузии в мэйджоритовом гранате». Природа Геонауки . 6 (5): 400–403. Бибкод : 2013NatGe...6..400В. дои : 10.1038/ngeo1772.
  12. ^ Берковичи, Дэвид; Карато, Сюн-итиро (сентябрь 2003 г.). «Целомантийная конвекция и водный фильтр переходной зоны». Природа . 425 (6953): 39–44. Бибкод : 2003Natur.425...39B. дои : 10.1038/nature01918. ISSN  0028-0836. PMID  12955133. S2CID  4428456.
  13. ^ Андерсон, Дон Л.; Басс, Джей Д. (март 1986 г.). «Переходная область верхней мантии Земли». Природа . 320 (6060): 321–328. Бибкод : 1986Natur.320..321A. дои : 10.1038/320321a0. S2CID  4236570.
  14. ^ Цучия, Таку; Цучия, Джун; Умэмото, Коитиро; Венцкович, Рената М. (август 2004 г.). «Фазовый переход в перовските MgSiO3 в нижней мантии Земли». Письма о Земле и планетологии . 224 (3–4): 241–248. Бибкод : 2004E&PSL.224..241T. дои : 10.1016/j.epsl.2004.05.017.
  15. ^ Юань, К., Ли, М., Деш, С.Дж. и др. Лунообразующий ударник как источник аномалий базальной мантии Земли. Природа 623, 95–99 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06589-1
  16. ^ Уоркман, Рея К.; Харт, Стэнли Р. (февраль 2005 г.). «Основной и микроэлементный состав обедненной мантии MORB (DMM)». Письма о Земле и планетологии . 231 (1–2): 53–72. Бибкод : 2005E&PSL.231...53W. дои : 10.1016/j.epsl.2004.12.005. ISSN  0012-821X.
  17. ^ Андерсон, DL (2007). Новая теория Земли . Издательство Кембриджского университета. п. 301. ИСБН 9780521849593.
  18. ^ Мураками, Мотохико; Охиши, Ясуо; Хирао, Наохиса; Хиросе, Кей (май 2012 г.). «Перовскитовая нижняя мантия, полученная на основе данных о скорости звука при высоком давлении и высокой температуре». Природа . 485 (7396): 90–94. Бибкод :2012Natur.485...90M. дои : 10.1038/nature11004. ISSN  0028-0836. PMID  22552097. S2CID  4387193.
  19. ^ Нетберн, Дебора. «То, что ученые нашли в алмазе: тип льда, неизвестный на Земле». Лос-Анджелес Таймс . Архивировано из оригинала 12 марта 2018 года . Проверено 12 марта 2018 г.
  20. ^ аб Катарина., Лоддерс (1998). Спутник планетолога . Фигли, Брюс. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1423759836. ОСЛК  65171709.
  21. ^ Тюркотт, DL; Шуберт, Г (2002). «4». Геодинамика (2-е изд.). Кембридж, Англия, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр. 136–7. ISBN 978-0-521-66624-4.
  22. ^ Луи, Дж. (1996). «Интерьер Земли». Университет Невады, Рино. Архивировано из оригинала 20 июля 2011 г. Проверено 24 декабря 2007 г.
  23. ^ Фулджер, GR (2010). Плиты против плюмов: геологический спор. Уайли-Блэквелл. ISBN 978-1-4051-6148-0.
  24. ^ аб Уолцер, Уве; Хендель, Роланд и Баумгарднер, Джон. Мантийная вязкость и мощность конвективных нисходящих потоков. igw.uni-jena.de
  25. ^ Олден, Эндрю. «Конец D-дабл-прайм-тайма?». О сайте.com . Проверено 25 декабря 2007 г.
  26. ^ Стерн, Роберт Дж. (2002), «Зоны субдукции», Обзоры геофизики , 40 (4): 1012, Бибкод : 2002RvGeo..40.1012S, doi : 10.1029/2001RG000108 , S2CID  15347100
  27. ^ Бернс, Роджер Джордж (1993). Минералогические приложения теории кристаллического поля. Издательство Кембриджского университета. п. 354. ИСБН 978-0-521-43077-7. Проверено 26 декабря 2007 г.
  28. ^ Кири, П.; Клепейс, Калифорния; Вайн, Ф.Дж. (2009). Глобальная тектоника (3-е изд.). Оксфорд: Уайли-Блэквелл. стр. 184–188. ISBN 9781405107778.
  29. ^ «О ДСДП». Проект глубоководного бурения.
  30. ^ Тан, Кер (01 марта 2007 г.). «Ученые изучают трещины на дне Атлантического океана». Новости Эн-Би-Си . Проверено 16 марта 2008 г. На следующей неделе группа ученых отправится в путешествие, чтобы изучить «открытую рану» на морском дне Атлантического океана, где глубокие недра Земли обнажены без какой-либо коры.
  31. ^ «Земная кора отсутствует в Средней Атлантике». Наука Дейли . 2 марта 2007 г. Проверено 16 марта 2008 г. Ученые Кардиффского университета вскоре (5 марта) отправятся в плавание, чтобы исследовать поразительное открытие в глубинах Атлантики.
  32. ^ «Япония надеется предсказать «Большого человека» с помощью путешествия к центру Земли» . PhysOrg.com . 15 декабря 2005 г. Архивировано из оригинала 19 декабря 2005 г. Проверено 16 марта 2008 г. Амбициозный проект под руководством Японии по раскопкам поверхности Земли глубже, чем когда-либо прежде, станет прорывом в обнаружении землетрясений, включая страшное токийское «Большое землетрясение», заявили официальные лица в четверг.
  33. ^ Оджован М.И., Гибб Ф.Г.Ф., Полуэктов П.П., Емец Е.П. 2005. Зондирование внутренних слоев Земли самотонущими капсулами. Атомная энергия , 99, 556–562.
  34. ^ Оджован М.И., Гибб ФГФ «Исследование земной коры и мантии с использованием самоспускающихся зондов с радиационным нагревом и мониторинга акустической эмиссии». Глава 7. В: Исследования ядерных отходов: размещение, технология и обработка , ISBN 978-1-60456-184-5 , Редактор: Арнольд П. Латтефер, Nova Science Publishers, Inc., 2008 г. 
  35. ^ Калифорнийский университет - Дэвис (15 июня 2009 г.). Суперкомпьютер дал первое представление о недрах ранней магмы Земли. ScienceDaily . Проверено 16 июня 2009 г.
  36. ^ Наконец-то океанские бурильщики извлекли из мантии Земли большое количество камней (Отчет). 25 мая 2023 г. дои : 10.1126/science.adi9181.

Внешние ссылки

В Викибуке по исторической геологии есть страница на тему: Строение Земли.