Мантия Земли — часть геосферы, расположенная между корой и ядром. В ней находится большая доля всего вещества планеты. Изучение мантии важно не только с точки зрения понимания внутренней Оно может пролить свет на формирование планеты, дать доступ к редким соединениям и породам, помочь понять механизм землетрясений и Однако получить информацию о составе и особенностях мантии непросто. Бурить скважины так глубоко люди пока не умеют. Мантия Земли в основном сейчас изучается при помощи сейсмических волн. А также путем моделирования в условиях лаборатории.
Строение Земли: мантия, ядро и кора
Согласно современным представлениям, внутреннее строение нашей планеты подразделяется на несколько слоев. Верхний — это кора, далее лежат мантия и ядро Земли. Кора — твердая оболочка, делящаяся на океаническую и континентальную. Мантия Земли отделена от нее так называемой границей Мохоровичича (по имени хорватского сейсмолога, установившего ее местоположение), которая характеризуется скачкообразным ростом скоростей продольных сейсмических волн.
Мантия составляет примерно 67 % массы планеты. По современным данным, ее можно разделить на два слоя: верхний и нижний. В первом выделяют также слой Голицына или среднюю мантию, являющуюся переходной зоной от верхней к нижней. В целом мантия простирается на глубине от 30 до 2900 км.
Ядро планеты, по представлению современных ученых, состоит в основном из железоникелевых сплавов. Оно также подразделяется на две части. Внутреннее ядро — твердое, его радиус оценивается в 1300 км. Внешнее — жидкое, имеет радиус в 2200 км. Между этими частями выделяют переходную зону.
Литосфера
Кора и верхняя мантия Земли объединяются понятием «литосфера». Это твердая оболочка, имеющая стабильные и подвижные области. Твердая оболочка планеты состоит из которые, как предполагается, перемещаются по астеносфере — довольно пластичному слою, вероятно, представляющему собой вязкую и сильно нагретую жидкость. Она является частью верхней мантии. Нужно отметить, что существование астеносферы как непрерывной вязкой оболочки не подтверждается сейсмологическими исследованиями. Изучение структуры планеты позволяет выделить несколько подобных слоев, размещающихся по вертикали. В горизонтальном же направлении астеносфера, видимо, постоянно прерывается.
Способы изучения мантии
Слои, лежащие ниже коры, малодоступны для изучения. Огромная глубина, постоянное увеличение температуры и возрастание плотности являются серьезной проблемой для получения информации о составе мантии и ядра. Однако представить структуру планеты все-таки можно. При изучении мантии главными источниками информации становятся геофизические данные. Скорость распространения сейсмических волн, особенности электропроводности и силы тяжести позволяют ученым делать предположения о составе и других особенностях нижележащих слоев.
Кроме того, некоторую информацию удается получить из и фрагментов мантийных пород. К числу последних относятся алмазы, которые могут многое рассказать даже о нижней мантии. Встречаются мантийные породы и в земной коре. Их изучение помогает понять состав мантии. Однако они не заменят образцов, добытых непосредственно из глубоких слоев, поскольку в результате различных процессов, протекающих в коре, их состав отличен от мантийного.
Мантия Земли: состав
Еще один источник информации о том, что представляет собой мантия, — метеориты. Согласно современным представлениям, хондриты (самая распространенная на планете группа метеоритов) по составу близки к земной мантии.
Предполагается, что она содержит элементы, которые находились в твердом состоянии или входили в твердое соединение в процессе формирования планеты. К ним относится кремний, железо, магний, кислород и некоторые другие. В мантии они, объединяясь с образуют силикаты. В верхнем слое располагаются силикаты магния, с глубиной растет количество силиката железа. В нижней мантии происходит разложение этих соединений на оксиды (SiO 2 , MgO, FeO).
Особый интерес для ученых представляют породы, не встречающиеся в земной коре. Как предполагается, в мантии таких соединений (гроспидиты, карбонатиты и так далее) немало.
Слои
Остановимся подробнее на протяженности слоев мантии. По представлениям ученых, верхних из них занимает диапазон примерно от 30 до 400 км от Далее располагается переходная зона, которая уходит вглубь еще на 250 км. Следующий слой — нижний. Его граница располагается на глубине около 2900 км и соприкасается с внешним ядром планеты.
Давление и температура
С продвижением вглубь планеты, повышается температура. Мантия Земли находится под действием крайне высокого давления. В зоне астеносферы действие температуры перевешивает, поэтому здесь вещество находится в так называемом аморфном или полурасплавленном состоянии. Глубже под действием давления оно становится твердым.
Исследования мантии и границы Мохоровичича
Мантия Земли не дает покоя ученым уже достаточно длительное время. В лабораториях над породами, предположительно входящими в состав верхнего и нижнего слоя проводятся эксперименты, позволяющие понять состав и особенности мантии. Так, японскими учеными было установлено, что нижний слой содержит большое количество кремния. В верхней мантии располагаются запасы воды. Она поступает из земной коры, а также проникает отсюда на поверхность.
Особый интерес представляет поверхность Мохоровичича, природа которой до конца непонятна. Сейсмологические исследования предполагают, что на уровне 410 км под поверхностью происходит метаморфическое изменение пород (они становятся более плотными), что проявляется в резком увеличении скорости проведения волн. Предполагается, что базальтовые породы в районе превращаются в эклогит. При этом происходит увеличение плотности мантии примерно на 30 %. Есть и другая версия, согласно которой, причина изменения скорости проведения сейсмических волн кроется в изменении состава пород.
Тикю Хаккэн
В 2005 году в Японии было построено специально оборудованное судно Chikyu. Его миссия — сделать рекордно глубокую скважину на дне Тихого океана. Ученые предполагают взять образцы пород верхней мантии и границы Мохоровичича, чтобы получить ответы на многие вопросы, связанные со строением планеты. Реализация проекта намечена на 2020 год.
Нужно отметить, что ученые не просто так обратили свой взор именно к океаническим недрам. Согласно исследованиям, толщина коры на дне морей значительно меньше, чем на континентах. Разница существенная: под толщей воды в океане до магмы нужно преодолеть в отдельных областях всего 5 км, тогда как на суше эта цифра увеличивается до 30 км.
Сейчас судно уже работает: получены образцы глубоких угольных пластов. Реализация главной цели проекта позволит понять, как устроена мантия Земли, какие вещества и элементы составляют ее переходную зону, а также выяснить нижний предел распространения жизни на планете.
Наше представление о строении Земли пока далеко не полное. Причина тому — сложность проникновения в недра. Однако технический прогресс не стоит на месте. Достижения науки позволяют предположить, что в недалеком будущем мы будем знать о характеристиках мантии гораздо больше.
Силикатная оболочка Земли, её мантия, расположена между подошвой земной коры и поверхностью земного ядра на глубинах около 2 900 км. Обычно по сейсмическим данным мантию делят на верхнюю (слой В), до глубины 400 км, переходный слой Голицына (слой С) в интервале глубин 400-1000 км и нижнюю мантию (слой D) с подошвой на глубине примерно 2 900 км. Под океанами в верхней мантии выделяется ещё и слой пониженных скоростей распространения сейсмических волн - волновод Гутенберга, обычно отождествляемый с астеносферой Земли, в которой мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии. Под континентами зона пониженных скоростей, как правило, не выделяется либо слабо выражена.
В состав верхней мантии обычно включаются и подкоровые части литосферных плит, в которых мантийное вещество охлаждено и полностью раскристаллизовано. Под океанами мощность литосферы меняется от нуля под рифтовыми зонами до 60-70 км под абиссальными котловинами океанов. Под континентами толщина литосферы может достигать 200-250 км.
Наши сведения о строении мантии и земного ядра, а также о состоянии вещества в этих геосферах получены в основном по сейсмологическим наблюдениям, путём интерпретации годографов сейсмических волн с учётом известных уравнений гидростатики, связывающих между собой градиенты плотности и значения скоростей распространения продольных и поперечных волн в среде. Методика эта была разработана известными геофизиками Г. Джефрисом, Б. Гутенбергом и особенно К. Булленом ещё в середине 40-х годов и затем существенно усовершенствована К. Булленом и другими сейсмологами. Построенные по этой методике распределения плотности в мантии для нескольких наиболее популярных моделей Земли в сопоставлении с данными ударного сжатия силикатов (модель НС-1) приведены на рис. 10.
Рисунок 10.
1 — модель Наймарка-Сорохтина (1977а); 2 — модель Буллена А1 (1966); 3 — модель Жаркова «Земля-2» (Жарков и др., 1971); 4 — пересчёт данных Панькова и Калинина (1975) на состав лерцолитов при адиабатическом распределении температуры.
Как видно из рисунка, плотность верхней мантии (слоя В) с глубиной увеличивается от 3,3-3,32 примерно до 3,63-3,70 г/см 3 на глубине около 400 км. Далее в переходном слое Голицына (слое С) градиент плотности резко возрастает и плотность повышается до 4,55-4,65 г/см 3 на глубине 1 000 км. Слой Голицына постепенно переходит в нижнюю мантию, плотность которой плавно (по линейному закону) возрастает до 5,53-5,66 г/см 3 на глубине её подошвы около 2 900 км.
Увеличение плотности мантии с глубиной объясняется уплотнением её вещества под влиянием все возрастающего давления вышележащих мантийных слоев, достигающего на подошве мантии значений 1,35-1,40 Мбар. Особенно заметное уплотнение силикатов мантийного вещества происходит в интервале глубин 400-1000 км. Как показал А. Рингвуд, именно на этих глубинах многие минералы испытывают полиморфные превращения. В частности, наиболее распространённый в мантии минерал оливин приобретает кристаллическую структуру шпинели, а пироксены - ильменитовую, а затем и плотнейшую перовскитовую структуру. На ещё больших глубинах большинство силикатов, за исключением, вероятно, только энстатита, распадаются на простые окислы с плотнейшей упаковкой атомов в соответствующих им кристаллитах.
Факты движения литосферных плит и дрейфа континентов убедительно свидетельствуют о существовании в мантии интенсивных конвективных движений, неоднократно перемешивавших за время жизни Земли все вещество этой геосферы. Отсюда можно сделать вывод, что составы и верхней и нижней мантии в среднем одинаковые. Однако состав верхней мантии уверенно определяется по находкам ультраосновных пород океанической коры и составам офиолитовых комплексов. Изучая офиолиты складчатых поясов и базальты океанических островов, А. Рингвуд ещё в 1962 г. предложил гипотетический состав верхней мантии, названный им пиролитом, получаемый при смешении трёх частей альпинотипного перидотита - габсбургита с одной частью гавайского базальта. Пиролит Рингвуда близок по составу к океаническим лерцолитам, подробно изученным Л.В. Дмитриевым (1969, 1973). Но в противоположность пиролиту океанический лерцолит является не гипотетической смесью пород, а реальной мантийной породой, поднявшейся из мантии в рифтовых зонах Земли и обнажающейся в трансформных разломах вблизи от этих зон. К тому же Л. В. Дмитриев показал комплиментарность океанических базальтов и реститовых (остаточных после выплавки базальтов) гарцбургитов по отношению к океаническим лерцолитам, доказав тем самым первичность лерцолитов, из которых, следовательно, выплавляются толеитовые базальты срединно-океанических хребтов, а в остатке сохраняется реститовый гарцбургит. Таким образом, ближе всего составу верхней мантии, а следовательно, и всей мантии соответствует описанный Л. В. Дмитриевым океанический лерцолит, состав которого приведён в табл. 1.
| Окислы | Состав континентальной коры (1) | Модельный состав мантии Земли (2) | Модельный состав ядра Земли | Состав первичного вещества Земли (расчёт) | Средний состав хондритов (3) | Средний состав углистых хондритов (4) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SiO 2 | 59,3 | 45,5 | — | 30,78 | 38,04 | 33,0 |
| TiO 2 | 0,7 | 0,6 | — | 0,41 | 0,11 | 0,11 |
| Al 2 O 3 | 15,0 | 3,67 | — | 2,52 | 2,50 | 2,53 |
| Fe 2 O 3 | 2,4 | 4,15 | — | — | — | — |
| FeO | 5,6 | 4,37 | 49,34 | 22,76 | 12,45 | 22,0 |
| MnO | 0,1 | 0,13 | — | 0,09 | 0,25 | 0,24 |
| MgO | 4,9 | 38,35 | — | 25,77 | 23,84 | 23,0 |
| CaO | 7,2 | 2,28 | — | 1,56 | 1,95 | 2,32 |
| Na 2 O | 2,5 | 0,43 | — | 0,3 | 0,95 | 0,72 |
| K 2 O | 2,1 | 0,012 | — | 0,016 | 0,17 | — |
| Cr 2 O 3 | — | 0,41 | — | 0,28 | 0,36 | 0,49 |
| P 2 O 5 | 0,2 | — | — | — | — | 0,38 |
| NiO | — | 0,1 | — | 0,07 | — | — |
| FeS | — | — | 6,69 | 2,17 | 5,76 | 13,6 |
| Fe | — | — | 43,41 | 13,1 | 11,76 | — |
| Ni | — | — | 0,56 | 0,18 | 1,34 | — |
| Сумма | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 100,0 | 99,48 | 98,39 |
Кроме того, признание существования в мантии конвективных движений позволяет определить и её температурный режим, поскольку при конвекции распределение температуры в мантии должно быть близким к адиабатическому, т.е. к такому, при котором между смежными объёмами мантии не происходит теплообмена, связанного с теплопроводностью вещества. В этом случае теплопотери мантии происходят только в её верхнем слое - через литосферу Земли, распределение температуры в которой уже резко отличается от адиабатического. Но адиабатическое распределение температуры легко рассчитывается по параметрам мантийного вещества.
Для проверки гипотезы о едином составе верхней и нижней мантии были проведены расчёты плотности океанического лерцолита, поднятого в трансформном разломе хребта Карлсберг в Индийском океане, по методике ударного сжатия силикатов до давлений около 1,5 Мбар. Для такого «эксперимента» вовсе не обязательно сжимать сам образец породы до таких высоких давлений, достаточно знать его химический состав и результаты ранее проведённых опытов по ударному сжатию отдельных породообразующих окислов. Результаты такого расчёта, выполненного для адиабатического распределения температуры в мантии, были сопоставлены с известными распределениями плотности в этой же геосфере, но полученными по сейсмологическим данным (см. рис. 10). Как видно из приведённого сравнения, распределение плотности океанического лерцолита при высоких давлениях и адиабатической температуре неплохо аппроксимирует реальное распределение плотности в мантии, полученное по совершенно независимым данным. Это свидетельствует в пользу реальности сделанных предположений о лерцолитовом составе всей мантии (верхней и нижней) и об адиабатическом распределении температуры в этой геосфере. Зная распределение плотности вещества в мантии, можно подсчитать и её массу: она оказывается равной (4,03-4,04)×10 2 г, что составляет 67,5% от общей массы Земли.
На подошве нижней мантии выделяется ещё один мантийный слой толщиной около 200 км, обычно обозначаемый символом D’’, в котором уменьшаются градиенты скоростей распространения сейсмических волн и возрастает затухание поперечных волн. Более того, на основании анализа динамических особенностей распространения волн, отражённых от поверхности земного ядра, И.С. Берзон и её коллегам (1968, 1972) удалось выделить тонкий переходный слой между мантией и ядром толщиной около 20 км, названный нами слоем Берзон, в котором скорость поперечных волн в нижней половине убывает с глубиной от 7,3 км/с практически до нуля. Снижение же скорости поперечных волн можно объяснить лишь уменьшением значения модуля жёсткости, а следовательно, и уменьшением коэффициента эффективной вязкости вещества в этом слое.
Сама граница перехода от мантии к земному ядру при этом остаётся достаточно резкой. Судя по интенсивности и спектру отражённых от поверхности ядра сейсмических волн, толщина такого пограничного слоя не превышает 1 км.
Д.Ю. Пущаровский, Ю.М. Пущаровский (МГУ им. М.В. Ломоносова)
Состав и строение глубинных оболочек Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Число прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограниченно. В этом плане особое место занимает минеральный агрегат из кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель мантийных пород, залегающих на глубине ~250 км. Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12 262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке земного шара. Вместе с тем новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.
Сейсмическая модель строения Земли
Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра .
Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо , М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.
Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D" (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.
Рис. 1. Схема глубинного строения Земли
Тем больше проводится сейсмологических исследований, тем больше появляется сейсмических границ. Глобальными принято считать границы 410, 520, 670, 2900 км, где увеличение скоростей сейсмических волн особенно заметно. Наряду с ними выделяются промежуточные границы: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км . Дополнительно имеются указания геофизиков на существование границ 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.И. Павленковой недавно в качестве глобальной выделена граница 100, отвечающая нижнему уровню разделения верхней мантии на блоки. Промежуточные границы имеют разное пространственное распространение, что свидетельствует о латеральной изменчивости физических свойств мантии, от которых они и зависят. Глобальные границы представляют иную категорию явлений. Они отвечают глобальным изменениям мантийной среды по радиусу Земли.
Отмеченные глобальные сейсмические границы используются при построении геологических и геодинамических моделей, в то время как промежуточные в этом смысле пока внимания почти не привлекали. Между тем различия в масштабах и интенсивности их проявления создают эмпирическую основу для гипотез, касающихся явлений и процессов в глубинах планеты.
Ниже рассмотрим, каким образом геофизические рубежи соотносятся с полученными в последнее время результатами структурных изменений минералов под влиянием высоких давлений и температур, значения которых соответствуют условиям земных глубин.
Проблема состава, структуры и минеральных ассоциаций глубинных земных оболочек или геосфер, конечно, еще далека от окончательного решения, однако новые экспериментальные результаты и идеи существенно расширяют и детализируют соответствующие представления.
Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4: 2: 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al2SiO5 (до 10 вес. %). Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии , простирающейся до глубин ~670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO2) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)2SiO4, чем к пироксену (Mg, Fe)SiO3, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO3 с различными структурными искажениями, магнезиовюстит (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.
Имеет особый состав, отличаясь от состава покрывающей ее земной коры. Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты Земли в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. К таким породам относятся ультраосновные породы - дуниты, перидотиты, залегающие в горных системах. Горные породы островов Св. Павла в средней части Атлантического океана, по всем геологическим данным, относятся к мантийному материалу. Также к мантийному материалу относятся обломки пород, собранные советскими океанографическими экспедициями со дна Индийского океана в области Индоокеанского хребта. Что касается минералогического состава мантии, то здесь можно ожидать существенных изменений, начиная от верхних горизонтов и кончая основанием мантии в связи с ростом давления. Верхняя мантия сложена преимущественно силикатами (оливинами, пироксенами, гранатами), устойчивыми и пределах относительно низких давлений. Нижняя мантия сложена минералами высокой плотности.
Наиболее распространенным компонентом мантии является окись кремния в составе силикатов. Но при высоких давлениях кремнезем может перейти в более плотную полиморфную модификацию - стишовит. Этот минерал получен советским исследователем Стишовым и назван так по его имени. Если обычный кварц имеет плотность 2,533 r/см 3 , то стишовит, образующийся из кварца при давлении 150 000 бар, имеет плотность 4,25 г/см 3 .
Кроме того, в нижней мантии вероятны и более плотные минеральные модификации других соединений. Исходя из изложенного выше, можно с достаточным основанием полагать, что с ростом давления обычные железисто-магнезиальные силикаты оливины и пироксены разлагаются на окислы, которые в отдельности имеют более высокую плотность, чем силикаты, которые оказываются устойчивыми в верхней мантии.
Верхняя мантия состоит преимущественно из железисто-магнезиальных силикатов (оливинов, пироксенов). Некоторые алюмосиликаты могут переходить здесь в более плотные минералы типа гранатов. Под материками и океанами верхняя мантия имеет разные свойства и, вероятно, различный состав. Можно только предположить, что в области континентов мантия более дифференцирована и имеет меньше SiO 2 за счет концентрации этого компонента в алюмосиликатной коре. Под океанами мантия менее дифференцирована. В верхней мантии могут возникать более плотные полиморфные модификации оливина со структурой шпинели и др.
Переходной слой мантии характеризуется постоянным возрастанием скоростей сейсмических волн с глубиной, что свидетельствует о появлении более плотных полиморфных модификаций вещества. Здесь, очевидно, появляются окислы FeO, MgO, GaO, SiO 2 в форме вюстита, периклаза, извести и стишовита. Количество их с глубиной возрастает, а количество обычных силикатов уменьшается, и глубже 1000 км они составляют ничтожную долю.
Нижняя мантия в пределах глубин 1000-2900 км практически полностью состоит из плотных разновидностей минералов - окислов, о чем свидетельствует ее высокая плотность в пределах 4,08-5,7 г/см 3 . Под влиянием возросшего давления плотные окислы сжимаются, еще более увеличивая свою плотность. В нижней мантии также, вероятно, увеличивается содержание железа.
Ядро Земли. Вопрос о составе и физической природе ядра нашей планеты относится к наиболее волнующим и загадочным проблемам геофизики и геохимии. Только за последнее время наметилось небольшое просветление в решении этой проблемы.
Обширное центральное ядро Земли, занимающее внутреннюю область глубже 2900 км, состоит из большого внешнего ядра и малого внутреннего. По сейсмическим данным, внешнее ядро обладает свойствами жидкости. Оно не пропускает поперечных сейсмических волн. Отсутствие сил сцепления между ядром и нижней мантией, характер приливов в мантии и коре, особенности перемещения оси вращения Земли в пространстве, характер прохождения сейсмических волн глубже 2900 км говорят о том, что внешнее ядро Земли жидкое.
Некоторыми авторами состав ядра для химически однородной модели Земли допускался силикатным, причем под влиянием высокого давления силикаты перешли в «металлизированное» состояние, приобретая атомную структуру , у которых внешние электроны являются общими. Однако перечисленные выше геофизические данные противоречат предположению о «металлизированном» состоянии силикатного материала в ядре Земли. В частности, отсутствие сцепления между ядром и мантией не может быть совместимо с «металлизированным» твердым ядром, что допускалось в гипотезе Лодочникова-Рамзая. Очень важные косвенные данные о ядре Земли получены во время опытов с силикатами под большим давлением. При этом давления достигали 5 млн. атм. Между тем в центре Земли давление 3 млн. атм., а на границе ядра — приблизительно 1 млн. атм. Таким образом, экспериментальным путем удалось перекрыть давления, существующие в самых глубинах Земли. При этом для силикатов наблюдалось только линейное сжатие без скачка и перехода в «металлизированное» состояние. Кроме того, при высоких и давлениях в пределах глубин 2900-6370 км силикаты не могут находиться в жидком состоянии, как и окислы. Их температура плавления возрастает с увеличением давления.
За последние годы получены весьма интересные результаты исследований по влиянию очень высоких давлений на температуру плавления металлов. Оказалось, что ряд металлов при высоких давлениях (300 тыс. атм. и выше) переходит в жидкое состояние при относительно невысоких температурах. По некоторым расчетам, сплав железа с примесью никеля и кремния (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) на глубине 2900 км под влиянием высокого давления должен находиться в жидком состоянии уже при температуре 1000° С. Но температура на этих глубинах, по самым скромным оценкам геофизиков, должна быть значительно выше.
Поэтому в свете современных данных геофизики и физики высоких давлений, а также данных космохимии, указывающих на ведущую роль железа как наиболее обильного металла в космосе, следует допустить, что ядро Земли в основном сложено жидким железом с примесью никеля. Однако расчеты американского геофизика Ф. Берча показали, что плотность земного ядра на 10% ниже, чем железоникелевый сплав при температурах и давлениях, господствующих в ядре. Отсюда следует, что металлическое ядро Земли должно содержать значительное количество (10-20%) какого-то легкого . Из всех наиболее легких и распространенных элементов максимально вероятными |оказываются кремний (Si) и сера (S). Наличие одного или другого способно объяснить наблюдаемые физические свойства земного ядра. Поэтому вопрос о том, что является примесью земного ядра - кремний или сера, оказывается дискуссионным и связан со способом формирования нашей планеты в делом.
А. Ридгвуд в 1958 г. допустил, что земное ядро содержит кремний в качестве легкого элемента, аргументируя такое предположение тем, что элементарный кремний в количестве нескольких весовых процентов встречается в металлической фазе некоторых восстановленных хондритовых метеоритов (энстатитовых). Однако других доводов в пользу присутствия кремния в земном ядре нет.
Предположение о том, что в земном ядре имеется сера, вытекает из сравнения ее распространения в хондритовом материале метеоритов и мантии Земли. Так, сопоставление элементарных атомных соотношений некоторых летучих элементов в смеси коры и мантии и в хондритах показывает резкий недостаток серы. В материале мантии и коры концентрация серы на три порядка ниже, чем в среднем материале солнечной системы, в качестве которого принимаются хондриты.
Возможность потери серы при высоких температурах первичной Земли отпадает, поскольку другие более летучие элементы, чем сера (например, Н2 в виде Н2O), обнаружившие значительно меньший дефицит, были бы потеряны в значительно большей степени. Кроме того, при охлаждении солнечного газа сера химически связывается с железом и перестает быть летучим элементом.
В связи с этим, вполне возможно, большие количества серы поступают в земное ядро. Следует отметить, что при прочих равных условиях температура плавления системы Fe-FeS значительно ниже, чем температура плавления железа пли силиката мантии. Так, при давлении 60 кбар температура плавления системы (эвтектики) Fe-FeS составит 990° С, в то время как чистого железа - 1610°, а пиролита мантии - 1310. Поэтому при повышении температуры в недрах первично однородной Земли железный расплав, обогащенный серой, будет формироваться первым и ввиду своей низкой вязкости и высокой плотности будет легко стекать в центральные части планеты, образуя железисто-сернистое ядро. Таким образом, присутствие серы в железоникелевой среде действует в качестве флюса, снижая температуру ее плавления в целом. Гипотеза о присутствии в земном ядре значительных количеств серы является весьма привлекательной и не противоречит всем известным данным геохимии и космохимии.
Таким образом, современные представления о природе недр нашей планеты соответствуют химически дифференцированному земному шару, который оказался разделенным на две разные части: мощную твердую силикатно-окисную мантию и жидкое в основном металлическое ядро. Земная кора представляет собой наиболее легкую верхнюю твердую оболочку, состоящую из алюмосиликатов и имеющую наиболее сложное строение.
Подводя итог сказанному, можно сделать следующие выводы.
- Земля имеет слоистое зонарное строение. Она состоит на две трети из твердой силикатно-окисной оболочки — мантии и на одну треть из металлического жидкого ядра.
- Основные свойства Земли свидетельствуют о том, что ядро находится в жидком состоянии и только железо из наиболее распространенных металлов с примесью некоторых легких элементов (скорее всего, серы) способно обеспечить эти свойства.
- В верхних своих горизонтах Земля имеет асимметричное строение, охватывающее кору и верхнюю мантию. Океаническое полушарие в пределах верхней мантии менее дифференцировано, чем противоположное континентальное полушарие.
Задача любой космогонической теории происхождения Земли - объяснить эти основные особенности ее внутренней природы и состава.
Многим известно, что планета Земля в сейсмическом (тектоническом) смысле состоит из ядра, мантии и литосферы (коры). Мы рассмотрим, что такое мантия. Это слой или промежуточная оболочка, которая находится между ядром и корой. Мантия составляет 83% объема планеты Земля. Если же брать вес, то 67% Земли - это мантия.
Два слоя мантии
Еще в начале двадцатого века было принято считать, что мантия однородна, но уже к середине столетия ученые пришли к выводу, что она состоит из двух слоев. Близкий к ядру слой - это нижняя мантия. Тот слой, который граничит с литосферой - верхняя мантия. Верхняя мантия уходит вглубь Земли приблизительно на 600 километров. Нижняя граница нижней мантии расположена на глубине до 2900 километров.
Из чего состоит мантия
Подобраться к мантии ученым еще не доводилось. Никакое бурение пока еще не позволило приблизиться к ней. Поэтому все исследования производятся не опытным, а теоретическим и опосредованным путем. Свои выводы о мантии земли ученые делают прежде всего на основе геофизических исследований. В расчет берутся электропроводность, сейсмические волны, скорость их распространения, сила.
Японские ученые заявляли о своих намерениях подойти к мантии земли, пробурив океанические породы, но пока их планы еще не воплощены в жизнь. На дне океана уже найдены некоторые места, где слой земной коры наиболее тонкий, то есть до верхней части мантии отсанется бурить всего-то каких-то 3000 км. Сложность заключается в том, что бурение должно проводится на дне океана и при этом буру предстоит пройти участки сверхпрочных пород, а это можно сравнить с попыткой хвостика нитки прорваться через стенки наперстка. Безусловно, возможность изучить образцы пород, взятых непосредственно из мантии, дала бы составить более точное представление о ее структуре и составе.
Алмазы и перидоты
Информативными являются и мантийные породы, которые в результате различных геофизических и сейсмических процессов оказываются на поверхности земли. Например, к мантийным породам относятся алмазы. Некоторые из них, предполагают исследователи, поднимаются из нижней мантии. Наиболее распространенные породы - это перидоты. Они часто выбрасываются в лаве извержениями вулканов. Изучение мантийных пород позволяет ученым с определенной точностью говорить о составе и основных чертах мантии.
Жидкое состояние и вода
Составляют мантию силикатные породы, которые насыщены магнием и железом. Все вещества, составляющие мантию, пребывают в раскаленном. расплавленном, жидком состоянии, ведь температура этого слоя достаточно велика - до двух с половиной тысяч градусов. Вода также входит в состав мантии Земли. В количественном отношении ее там в 12 раз больше, чем в мировом океане. Запас воды в мантии таков, что если бы ее выплеснуть на поверхность земли, то вода поднялась бы над поверхностью на 800 метров.
Процессы в мантии
Граница мантии не представляет собой ровную линию. Наоборот, в некоторых местах, например, в районе Альп, на дне океанов, мантийные, то есть относящиеся к мантии породы подступают довольно близко к поверхности Земли. Именно физические и химические процессы, которые протекают в мантии, оказывают влияние на то, что происходит в земной коре и на поверхности земли. Речь идет об образовании гор, океанов, движении материков.
