stringtranslate.com

Нижняя мантия

Структура Земли. На этой диаграмме мезосфера обозначена как более жесткая мантия .

Нижняя мантия , исторически также известная как мезосфера , составляет примерно 56% общего объема Земли и представляет собой область от 660 до 2900 км под поверхностью Земли ; между переходной зоной и внешним ядром . [1] Предварительная эталонная модель Земли (PREM) разделяет нижнюю мантию на три части: самую верхнюю (660–770 км), среднюю нижнюю мантию (770–2700 км) и слой D (2700–2900 км). [2] Давление и температура в нижней мантии колеблются в пределах 24–127 ГПа [2] и 1900–2600 К. [3] Было высказано предположение, что состав нижней мантии пиролитовый , [ 4] содержащий три основные фазы бриджманита , ферропериклаза и кальциево-силикатного перовскита. Было показано, что высокое давление в нижней мантии вызывает спиновый переход железосодержащего бриджманита и ферропериклаза [5] , который может влиять как на динамику мантийных плюмов [6] [7] , так и на химию нижней мантии. [5]

Верхняя граница определяется резким увеличением скорости и плотности сейсмических волн на глубине 660 километров (410 миль). [8] На глубине 660 км рингвудит ( γ-(Mg,Fe)
2SiO
4) разлагается на Mg-Si перовскит и магнезиовюстит . [8] Эта реакция отмечает границу между верхней мантией и нижней мантией. Это измерение оценивается на основе сейсмических данных и лабораторных экспериментов при высоком давлении. Основание мезосферы включает зону D ″ , которая находится чуть выше границы мантии и ядра на высоте примерно от 2700 до 2890 км (от 1678 до 1796 миль). Основание нижней мантии составляет около 2700 км. [8]

Физические свойства

Нижняя мантия первоначально была обозначена как D-слой в сферически-симметричной модели Земли Буллена. [9] Сейсмическая модель недр Земли PREM разделила D-слой на три отдельных слоя, определяемых разрывом скоростей сейсмических волн : [2]

Температура нижней мантии колеблется от 1960 К (1690 ° C; 3070 ° F) в самом верхнем слое до 2630 К (2360 ° C; 4270 ° F) на глубине 2700 километров (1700 миль). [3] Модели температуры нижней мантии аппроксимируют конвекцию как основной вклад в перенос тепла, в то время как проводимость и радиационная теплопередача считаются незначительными. В результате градиент температуры нижней мантии в зависимости от глубины является примерно адиабатическим. [1] При расчете геотермического градиента было обнаружено снижение с 0,47 кельвина на километр (0,47 °C/км; 1,4 °F/миль) в самых верхних частях нижней мантии до 0,24 кельвина на километр (0,24 °C/км; 0,70 °F/). миль) на высоте 2600 километров (1600 миль). [3]

Состав

Нижняя мантия состоит в основном из трех компонентов: бриджманита, ферропериклаза и кальциево-силикатного перовскита (CaSiO 3 -перовскита). Исторически пропорция каждого компонента была предметом обсуждения там, где предполагается общий состав.

Лабораторные эксперименты по сжатию пиролита с несколькими наковальнями моделировали условия адиабатической геотермы и измеряли плотность с помощью дифракции рентгеновских лучей in situ . Показано, что профиль плотности вдоль геотермы соответствует модели PREM . [10] Первый принцип расчета профиля плотности и скорости в нижней мантийной геотерме с различной пропорцией бриджманита и ферропериклаза выявил соответствие модели PREM в соотношении 8:2. Эта пропорция согласуется с пиролитовым валовым составом нижней мантии. [11] Кроме того, расчеты скорости поперечной волны пиролитовых составов нижней мантии с учетом второстепенных элементов привели к совпадению с профилем скорости сдвига PREM в пределах 1%. [12] С другой стороны, спектроскопические исследования Бриллюэна при соответствующих давлениях и температурах показали, что нижняя мантия, состоящая более чем на 93% из бриджманитовой фазы, имеет соответствующие скорости поперечных волн измеренным сейсмическим скоростям. Предполагаемый состав соответствует хондритовой нижней мантии. [13] Таким образом, валовой состав нижней мантии в настоящее время является предметом дискуссий.

Зона спинового перехода

Электронное окружение двух железосодержащих минералов нижней мантии (бриджманита, ферропериклаза) переходит из высокоспинового (HS) в низкоспиновое (LS) состояние. [5] Fe 2+ в ферропериклазе претерпевает переход между 50–90 ГПа. Бриджманит содержит в структуре как Fe 3+ , так и Fe 2+ , Fe 2+ занимают А-позицию и переходят в LS-состояние при 120 ГПа. В то время как Fe 3+ занимает как A-, так и B-позиции, Fe 3+ в B-позиции претерпевает переход HS в LS при 30–70 ГПа, в то время как Fe 3+ в A-позиции обменивается с катионом Al 3+ в B-позиции и становится ЛС. [14] Этот спиновый переход катиона железа приводит к увеличению коэффициента распределения между ферропериклазом и бриджманитом до 10–14, обедняя бриджманит и обогащая ферропериклаз Fe 2+ . [5] Сообщается, что переход HS в LS влияет на физические свойства железосодержащих минералов. Например, сообщалось, что в ферропериклазе плотность и несжимаемость увеличиваются от состояния HS до состояния LS. [15] Влияние спинового перехода на транспортные свойства и реологию нижней мантии в настоящее время исследуется и обсуждается с использованием численного моделирования.

История

Мезосфера (не путать с мезосферой , слоем атмосферы ) происходит от «мезосферной оболочки», придуманной Реджинальдом Олдвортом Дейли , профессором геологии Гарвардского университета . В эпоху доплитовой тектоники Дейли (1940) пришел к выводу, что внешняя Земля состоит из трех сферических слоев: литосферы (включая кору ), астеносферы и мезосферной оболочки. [16] Гипотетические глубины Дейли до границы литосферы и астеносферы составляли от 80 до 100 км (от 50 до 62 миль), а верхняя часть мезосферной оболочки (основание астеносферы) составляла от 200 до 480 км (от 124 до 298 миль). . Таким образом, было установлено, что астеносфера Дейли имеет толщину от 120 до 400 км (от 75 до 249 миль). По мнению Дейли, основание твердой земной мезосферы могло простираться до основания мантии (и, таким образом, до вершины ядра ) .

Производный термин, мезопластины , был введен как эвристика , основанная на сочетании слов «мезосфера» и «плита», для постулируемых систем отсчета, в которых существуют горячие точки мантии . [17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Каминский, Феликс В. (2017). Нижняя мантия Земли: состав и строение . Чам: Спрингер. ISBN 9783319556840. ОКЛК  988167555.
  2. ^ abc Дзевонски, Адам М.; Андерсон, Дон Л. (1981). «Предварительная эталонная модель Земли». Физика Земли и недр планет . 25 (4): 297–356. Бибкод : 1981PEPI...25..297D. дои : 10.1016/0031-9201(81)90046-7. ISSN  0031-9201.
  3. ^ abc Кацура, Томоо; Йонеда, Акира; Ямадзаки, Дайсуке; Ёсино, Такаши; Ито, Эйдзи (2010). «Адиабатический профиль температуры в мантии». Физика Земли и недр планет . 183 (1–2): 212–218. Бибкод : 2010PEPI..183..212K. дои : 10.1016/j.pepi.2010.07.001. ISSN  0031-9201.
  4. ^ аб Рингвуд, Альфред Э. (1976). Состав и петрология земной мантии . МакГроу-Хилл. ISBN 0070529329. ОСЛК  16375050.
  5. ^ abcd Бадро, Дж. (3 апреля 2003 г.). «Распределение железа в мантии Земли: к глубокому разрыву нижней мантии». Наука . 300 (5620): 789–791. Бибкод : 2003Sci...300..789B. дои : 10.1126/science.1081311 . ISSN  0036-8075. PMID  12677070. S2CID  12208090.
  6. ^ Шахнас, Миннесота; Пискливец, РН; Хусто, Дж. Ф.; Юэнь, Д.А. (9 мая 2017 г.). «Аномалии, вызванные спиновым переходом, в нижней мантии: последствия частичного расслоения средней мантии». Международный геофизический журнал . 210 (2): 765–773. дои : 10.1093/gji/ggx198. ISSN  0956-540X.
  7. ^ Бауэр, Дэн Дж.; Гурнис, Майкл; Джексон, Дженнифер М.; Стурхан, Вольфганг (28 мая 2009 г.). «Усиленная конвекция и быстрые плюмы в нижней мантии, вызванные спиновым переходом в ферропериклазе». Письма о геофизических исследованиях . 36 (10). Бибкод : 2009GeoRL..3610306B. дои : 10.1029/2009GL037706 . ISSN  0094-8276.
  8. ^ abc Конди, Кент К. (2001).«Мантийные плюмы и их записи в истории Земли ». Издательство Кембриджского университета . стр. 3–10. ISBN 0-521-01472-7.
  9. ^ Буллен, К.Э. (1942). «Изменение плотности центрального ядра Земли». Бюллетень Сейсмологического общества Америки . 32 (1): 19–29. Бибкод : 1942BuSSA..32...19B. дои : 10.1785/BSSA0320010019.
  10. ^ Ирифунэ, Т.; Синмей, Т.; Маккаммон, Калифорния; Миядзима, Н.; Руби, округ Колумбия; Фрост, диджей (08 января 2010 г.). «Распределение железа и изменения плотности пиролита в нижней мантии Земли». Наука . 327 (5962): 193–195. Бибкод : 2010Sci...327..193I. дои : 10.1126/science.1181443. ISSN  0036-8075. PMID  19965719. S2CID  19243930.
  11. ^ Ван, Сяньлун; Цучия, Таку; Хасэ, Ацуши (2015). «Вычислительная поддержка пиролитовой нижней мантии, содержащей трехвалентное железо». Природа Геонауки . 8 (7): 556–559. Бибкод : 2015NatGe...8..556W. дои : 10.1038/ngeo2458. ISSN  1752-0894.
  12. ^ Хён, Евгения; Хуан, Шичунь; Петаев Михаил Игоревич; Якобсен, Штейн Б. (2016). «Является ли мантия химически стратифицированной? Результаты моделирования скорости звука и эволюции изотопов раннего магматического океана». Письма о Земле и планетологии . 440 : 158–168. Бибкод : 2016E&PSL.440..158H. дои : 10.1016/j.epsl.2016.02.001 .
  13. ^ 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.
  14. ^ Бадро, Джеймс (30 мая 2014 г.). «Спиновые переходы в мантийных минералах». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 42 (1): 231–248. Бибкод : 2014AREPS..42..231B. doi : 10.1146/annurev-earth-042711-105304. ISSN  0084-6597.
  15. ^ Лин, Юнг-Фу; Специале, Серджио; Мао, Чжу; Марквардт, Хауке (апрель 2013 г.). «Эффекты электронных спиновых переходов железа в минералах нижней мантии: значение для глубинной мантийной геофизики и геохимии». Обзоры геофизики . 51 (2): 244–275. Бибкод : 2013RvGeo..51..244L. дои : 10.1002/rog.20010 . S2CID  21661449.
  16. ^ Дейли, Реджинальд Олдворт (1940). Прочность и строение Земли . Нью-Йорк: Прентис Холл .
  17. ^ Кумадзава, М; Фукао, Ю (1977). «Модель тектоники двух плит». В Мангани — Мурли; Акимото, Сюн-Ити (ред.). Исследования высокого давления: приложения в геофизике . Академическая пресса. п. 127. дои : 10.1016/B978-0-12-468750-9.50014-0. ISBN 978-0-12-468750-9.