stringtranslate.com

мантия Земли

Внутренняя структура Земли

Мантия Земли — это слой силикатной породы между корой и внешним ядром . Его масса составляет 4,01 × 10 24  кг (8,84 × 10 24  фунтов), что 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 геологических масштабах времени ведет себя как вязкая жидкость , иногда описываемая как имеющая консистенцию карамели . [2] [3] Частичное плавление мантии в срединно-океанических хребтах образует океаническую кору , а частичное плавление мантии в зонах субдукции образует континентальную кору . [4]

Структура

Реология

Верхняя мантия Земли разделена на два основных реологических слоя: жесткую литосферу, включающую самую верхнюю мантию (литосферную мантию), и более пластичную астеносферу , разделенную границей литосферы и астеносферы . Литосфера, лежащая под океанической корой, имеет толщину около 100 км (62 мили), тогда как литосфера, лежащая под континентальной корой, обычно имеет толщину 150–200 км (93–124 мили). [5] Литосфера и вышележащая кора составляют тектонические плиты , которые движутся по астеносфере. Под астеносферой мантия снова относительно жесткая.

Мантия Земли делится на три основных слоя, определяемых резкими 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 низкой скоростью сдвига и зоны сверхнизких скоростей .

Минералогический состав

Минеральные превращения в мантии

Верхняя часть мантии определяется внезапным увеличением скорости сейсмических волн, что впервые было отмечено Андрией Мохоровичичем в 1909 году; эта граница теперь называется границей Мохоровича или «Мохоровичичем». [8] [9]

Верхняя мантия в основном состоит из перидотита , состоящего в основном из различных пропорций минералов оливина , клинопироксена , ортопироксена и глиноземистой фазы. Глиноземистая фаза представлена ​​плагиоклазом в самой верхней мантии, затем шпинелью , а затем гранатом ниже ~100 км (62 мили). [10] Постепенно через верхнюю мантию пироксены становятся менее стабильными и трансформируются в мажоритовый гранат . [11]

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. [12] В основании переходной зоны рингвудит распадается на бриджманит (ранее называвшийся перовскитом из силиката магния) и ферропериклаз. Гранат также становится нестабильным в основании переходной зоны или немного ниже него. [13]

Нижняя мантия состоит в основном из бриджманита и ферропериклаза с небольшим количеством перовскита кальция , оксида со структурой феррита кальция и стишовита . В самых нижних ~200 км (120 миль) мантии бриджманит изохимически превращается в постперовскит. [14]

Возможные остатки столкновения Теи

Сейсмические изображения недр Земли выявили в самой нижней 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 реликты материала мантии Тейи , оставшиеся после гигантского удара , образовавшего Луну . [15]

Состав

Зелёные ксенолиты перидотита из мантии окружены чёрной вулканической лавой. Эти перидотитовые ксенолиты были вынесены из мантии расплавленной магмой во время вулканического извержения в Аризоне.

Химический состав мантии трудно определить с высокой степенью уверенности, поскольку он в значительной степени недоступен. Редкие выходы мантийных пород встречаются в офиолитах , где части океанической литосферы были обдуцированы на континенте. Мантийные породы также опробуются в виде ксенолитов внутри базальтов или кимберлитов .

Большинство оценок состава мантии основаны на породах, которые берутся только из верхней мантии. Ведутся споры о том, имеет ли остальная часть мантии, особенно нижняя, тот же основной состав. [18] Состав мантии менялся на протяжении истории Земли из-за извлечения магмы , которая затвердевала, образуя 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 температуры колеблются от приблизительно 500 К (230 °C; 440 °F) на верхней границе с корой до приблизительно 4200 К (3900 °C; 7100 °F) на границе ядро-мантия . [20] Температура мантии быстро увеличивается в тепловых пограничных слоях в верхней и нижней части мантии и постепенно увеличивается через внутреннюю часть мантии. [21] Хотя более высокие температуры намного превышают точки плавления мантийных пород на поверхности (около 1500 К (1200 °C; 2200 °F) для типичного 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 от нескольких сотен мегапаскалей на границе Мохоровичича до 139  ГПа (20 200 000  фунтов на квадратный дюйм ; 1 370 000  атм ) на границе ядро-мантия. [20]

Движение

Этот рисунок представляет собой снимок одного временного шага в модели конвекции мантии. Цвета ближе к красному — 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, что снижает его плотность и заставляет его посылать струи горячего материала вверх. Аналогично, охлаждение материала на поверхности приводит к его погружению.

Из-за разницы температур между поверхностью Земли и внешним ядром и способности кристаллических пород при высоком давлении и температуре подвергаться медленной, ползучей, вязкоподобной деформации в течение миллионов лет, в мантии происходит конвективная циркуляция материала. [8] Горячий материал поднимается (в мантийном плюме ), в то время как более холодный (и более тяжелый) материал опускается вниз. Движение материала вниз происходит на конвергентных границах плит, называемых зонами субдукции. Предполагается, что места на поверхности, которые лежат над плюмами, имеют большую высоту (из-за плавучести более горячего, менее плотного плюма ниже) и демонстрируют вулканизм горячих точек . Вулканизм, часто приписываемый глубоким мантийным плюмам, альтернативно объясняется пассивным расширением коры, что позволяет магме просачиваться на поверхность: гипотеза плит . [23]

Конвекция мантии Земли — это хаотический процесс (в смысле динамики жидкости ), который считается неотъемлемой частью движения плит. Движение плит не следует путать с континентальным дрейфом , который применяется исключительно к движению компонентов земной коры континентов. Движения литосферы и подстилающей мантии связаны, поскольку нисходящая литосфера является существенным компонентом конвекции в мантии. Наблюдаемый континентальный дрейф представляет собой сложную взаимосвязь между силами, заставляющими океаническую литосферу тонуть, и движениями внутри мантии Земли.

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. [24] Мантия в пределах примерно 200 км (120 миль) над границей ядро-мантия, по-видимому, имеет отчетливо иные сейсмические свойства, чем мантия на немного меньших глубинах; эта необычная область мантии прямо над ядром называется D″ («D double-prime»), номенклатура, введенная более 50 лет назад геофизиком Кейтом Булленом . [25] D″ может состоять из материала из субдуцированных плит , которые опустились и остановились на границе ядро-мантия, или из нового минерального полиморфа, обнаруженного в перовските, называемого постперовскитом.

Землетрясения на небольших глубинах являются результатом разломов; однако ниже примерно 50 км (30 миль) горячие условия высокого давления должны сдерживать дальнейшую сейсмичность. Мантия считается вязкой и неспособной к хрупким разломам. Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются до глубины 670 км (420 миль). Для объяснения этого явления был предложен ряд механизмов, включая дегидратацию, тепловой разгон и фазовый переход. Геотермический градиент может быть понижен, когда холодный материал с поверхности опускается вниз, увеличивая прочность окружающей мантии и позволяя землетрясениям происходить до глубины от 400 км (250 миль) до 670 км (420 миль). [26]

Давление в нижней части мантии составляет ~136 ГПа (19 700 000 фунтов на кв. дюйм; 1 340 000 атм). [27] Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен поддерживать вес всего материала над ним. Однако считается, что вся мантия деформируется как жидкость в длительных временных масштабах, с постоянной пластической деформацией, обеспечиваемой движением точечных, линейных и/или плоских дефектов через твердые кристаллы, составляющие мантию. Оценки вязкости верхней мантии варьируются от10 19 и10 24 Па·с , в зависимости от глубины, [24] температуры, состава, состояния напряжения и множества других факторов. Таким образом, верхняя мантия может течь только очень медленно. Однако, когда большие силы прикладываются к самой верхней мантии, она может стать слабее, и этот эффект считается важным 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 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 .

Более успешным был проект глубоководного бурения (DSDP), который действовал с 1968 по 1983 год. Координируемый Институтом океанографии Скриппса в Калифорнийском университете в Сан-Диего , DSDP предоставил важные данные для поддержки гипотезы спрединга морского дна и помог доказать теорию тектоники плит . Буровые работы проводил Glomar Challenger . DSDP был первой из трех международных научных программ океанического бурения, которые действовали более 40 лет. Научное планирование проводилось под эгидой Совместных океанографических институтов по глубоководному отбору проб Земли (JOIDES), консультативная группа которых состояла из 250 выдающихся ученых из академических учреждений, государственных учреждений и частного сектора со всего мира. Программа океанического бурения (ODP) продолжала разведку с 1985 по 2003 год, когда ее заменила Интегрированная программа океанического бурения (IODP). [29]

5 марта 2007 года группа ученых на борту RRS James Cook отправилась в плавание в район морского дна Атлантики , где мантия обнажена без какого-либо коркового покрытия, на полпути между островами Зеленого Мыса и Карибским морем . Обнаженный участок находится примерно в трех километрах под поверхностью океана и охватывает тысячи квадратных километров. [30] [31] Относительно сложная попытка извлечь образцы из мантии Земли была запланирована на конец 2007 года. [32] Миссия Chikyu Hakken попыталась использовать японское судно Chikyū для бурения до 7000 м (23000 футов) под морским дном. Это почти в три раза глубже, чем предыдущие океанические бурения .

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. [33] Зонд состоит из внешней сферы вольфрама диаметром около одного метра с внутренней частью из кобальта-60, действующей как источник радиоактивного тепла. Было подсчитано, что такой зонд достигнет океанической Мохоровичича менее чем за 6 месяцев и достигнет минимальных глубин более 100 км (62 миль) за несколько десятилетий как под океанической , так и континентальной литосферой . [34]

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. [35]

В 2023 году JOIDES Resolution извлек 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. [36]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Lodders, Katharina (1998). Спутник планетолога . Фегли, Брюс. Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN 1-4237-5983-4. OCLC  65171709.
  2. ^ "Домашняя страница PDS/PPI". pds-ppi.igpp.ucla.edu . Получено 29.01.2021 .
  3. ^ "In Depth | Earth". NASA Solar System Exploration . Архивировано из оригинала 2021-02-12 . Получено 2021-01-29 .
  4. ^ "Из чего сделана мантия Земли? - Вселенная сегодня". Вселенная сегодня . 2016-03-26 . Получено 2018-11-24 .
  5. ^ Стивен, Маршак (2015). Земля: Портрет планеты (5-е изд.). Нью-Йорк: WW Norton & Company. ISBN 9780393937503. OCLC  897946590.
  6. ^ Хельфрич, Джордж Р.; Вуд, Бернард Дж. (август 2001 г.). «Мантия Земли». Nature . 412 (6846): 501–507. Bibcode :2001Natur.412..501H. doi :10.1038/35087500. PMID  11484043. S2CID  4304379.
  7. ^ Расположение основания коры варьируется от приблизительно 10 до 70 км (от 6,2 до 43,5 миль). Океаническая кора обычно имеет толщину менее 10 км (6,2 миль). «Стандартная» континентальная кора имеет толщину около 35 км (22 мили), а большая кора под Тибетским плато имеет толщину около 70 км (43 мили).
  8. ^ ab Alden, Andrew (2007). "Today's Mantle: a guided tour". About.com . Архивировано из оригинала 2016-09-02 . Получено 2007-12-25 .
  9. ^ "Истрия в Интернете – Известные истрийцы – Андрия Мохоровичич". 2007. Получено 25.12.2007 .
  10. ^ Макдоноу, Уильям Ф.; Рудник, Роберта Л. (1998-12-31). Хемли, Рассел Дж (ред.). "Глава 4. Минералогия и состав верхней мантии". Ultrahigh Pressure Mineralogy : 139–164. doi :10.1515/9781501509179-006. ISBN 9781501509179.
  11. ^ van Mierlo, WL; Langenhorst, F.; Frost, DJ ; Rubie, DC (май 2013 г.). «Застой субдуцирующих плит в переходной зоне из-за медленной диффузии в мэйджоритовом гранате». Nature Geoscience . 6 (5): 400–403. Bibcode : 2013NatGe...6..400V. doi : 10.1038/ngeo1772.
  12. ^ Берковичи, Дэвид; Карато, Шун-итиро (сентябрь 2003 г.). «Конвекция всей мантии и фильтр воды переходной зоны». Nature . 425 (6953): 39–44. Bibcode :2003Natur.425...39B. doi :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». Nature . 320 (6060): 321–328. Bibcode :1986Natur.320..321A. doi :10.1038/320321a0. S2CID  4236570.
  14. ^ Цутия, Таку; Цутия, Джун; Умемото, Коитиро; Венцкович, Рената М. (август 2004 г.). «Фазовый переход в перовските MgSiO3 в нижней мантии Земли». Earth and Planetary Science Letters . 224 (3–4): 241–248. Bibcode : 2004E&PSL.224..241T. doi : 10.1016/j.epsl.2004.05.017.
  15. ^ Юань, Цюань, Ли, М., Деш, С.Дж. и др. Формирующий Луну ударник как источник аномалий базальной мантии Земли. Nature 623, 95–99 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06589-1
  16. ↑ Workman, Rhea K.; Hart, Stanley R. (февраль 2005 г.). «Состав основных и следовых элементов обедненной мантии MORB (DMM)». Earth and Planetary Science Letters . 231 (1–2): 53–72. Bibcode : 2005E&PSL.231...53W. doi : 10.1016/j.epsl.2004.12.005. ISSN  0012-821X.
  17. ^ Андерсон, ДЛ (2007). Новая теория Земли . Cambridge University Press. стр. 301. ISBN 9780521849593.
  18. ^ Мураками, Мотохико; Охиши, Ясуо; Хирао, Наохиса; Хиросе, Кей (май 2012 г.). «Перовскитовая нижняя мантия, выведенная из данных о скорости звука при высоком давлении и температуре». Nature . 485 (7396): 90–94. Bibcode :2012Natur.485...90M. doi :10.1038/nature11004. ISSN  0028-0836. PMID  22552097. S2CID  4387193.
  19. ^ Нетберн, Дебора. «Что ученые обнаружили в ловушке в алмазе: тип льда, не известный на Земле». Los Angeles Times . Архивировано из оригинала 12 марта 2018 г. Получено 12 марта 2018 г.
  20. ^ ab Katharina., Lodders (1998). Спутник планетолога . Фегли, Брюс. Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN 978-1423759836. OCLC  65171709.
  21. ^ Turcotte, DL; Schubert, G (2002). "4". Геодинамика (2-е изд.). Кембридж, Англия, Великобритания: Cambridge University Press. стр. 136–7. ISBN 978-0-521-66624-4.
  22. ^ Louie, J. (1996). "Earth's Interior". Университет Невады, Рино. Архивировано из оригинала 20 июля 2011 г. Получено 24 декабря 2007 г.
  23. ^ Foulger, GR (2010). Плиты против плюмов: геологический спор. Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4051-6148-0.
  24. ^ ab Walzer, Uwe; Hendel, Roland и Baumgardner, John. Вязкость мантии и толщина конвективных нисходящих потоков. igw.uni-jena.de
  25. ^ Олден, Эндрю. «Конец D-Double-Prime Time?». About.com. Архивировано из оригинала 2008-10-06 . Получено 2007-12-25 .
  26. ^ Стерн, Роберт Дж. (2002), «Зоны субдукции», Обзоры геофизики , 40 (4): 1012, Bibcode : 2002RvGeo..40.1012S, doi : 10.1029/2001RG000108 , S2CID  15347100
  27. ^ Бернс, Роджер Джордж (1993). Минералогические приложения теории кристаллического поля. Cambridge University Press. стр. 354. ISBN 978-0-521-43077-7. Получено 26.12.2007 .
  28. ^ Кири, П.; Клепеис, КА; Вайн, Ф.Дж. (2009). Глобальная тектоника (3-е изд.). Оксфорд: Wiley-Blackwell. С. 184–188. ISBN 9781405107778.
  29. ^ "О DSDP". Проект глубоководного бурения.
  30. ^ Тан, Кер (2007-03-01). "Ученые изучат рану на дне Атлантического океана". NBC News . Архивировано из оригинала 12 декабря 2014 г. Получено 2008-03-16 . 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.
  31. ^ "Земная кора исчезла в Средней Атлантике". Science Daily . 2007-03-02 . Получено 2008-03-16 . Ученые из Кардиффского университета вскоре отправятся в плавание (5 марта), чтобы исследовать поразительное открытие в глубинах Атлантики.
  32. ^ "Япония надеется предсказать "Большое землетрясение" с помощью путешествия к центру Земли". PhysOrg.com . 2005-12-15. Архивировано из оригинала 2005-12-19 . Получено 2008-03-16 . 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.
  33. ^ Оджован МИ, Гибб ФГФ, Полуэктов ПП, Емец ЭП 2005. Зондирование внутренних слоев Земли с помощью самопогружающихся капсул. Атомная энергия , 99, 556–562
  34. ^ Оджован MI, Гибб FGF "Исследование земной коры и мантии с использованием самоспускающихся, нагретых излучением зондов 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 
  35. ^ Калифорнийский университет – Дэвис (2009-06-15). Суперкомпьютер впервые дает представление о недрах ранней магмы Земли. ScienceDaily . Получено 2009-06-16.
  36. ^ Наконец-то океанские бурильщики извлекли из мантии Земли целую кучу камней (Отчет). 2023-05-25. doi :10.1126/science.adi9181.

Внешние ссылки

В Wikibook Historical Geology есть страница на тему: Структура Земли.