Состав и состояние вещества мантии и ядра земли

Более или менее достоверные данные, хотя и косвенные, имеются лишь для верхней части мантии в слое В. К ним относятся: 1) выходы в отдельных местах на поверхность интрузивных магматических ультраосновных горных пород, главным образом перидотитов; 2) состав пород, заполняющих алмазоносные трубки, где наряду с перидотитами, содержащими гранаты, встречаются включения высокометаморфизованных пород, называемых эклогитами, близкими по составу основной глубинной магматической породе габбро, но отличающимися от нее значительной плотностью (3,35-4,2 г/см³). Последнее свидетельствует о том, что они могли формироваться только при больших давлениях. По данным петрологов (А.А. Маракушева и др.), алмазоносные породы образуются в ходе сложной и длительной эволюции магмы, кристаллизация которой начиналась в глубинных мантийных очагах (около 150-200 км), продолжалась и завершалась при внедрении их в земную кору. Алмаз формируется на наиболее ранней стадии магматической кристаллизации. Таким образом, по данным непосредственного изучения интрузивных тел, пород, заполняющих алмазоносные трубки, а также экспериментальных исследований, принимается, что слой В верхней мантии состоит главным образом из ультраосновных пород типа перидотитов с гранатом. Такую мантийную породу А. Е. Рингвуд в 1962 г. назвал пиролитом (по корням названных минералов) или пироксеново-оливиновой. Встречающиеся в алмазоносных трубках включения эклогитов, по-видимому, имеют подчиненное значение и захвачены в процессе взрыва. По данным В. Н. Жаркова, основанным на петрохимических исследованиях, вещество пиролитового состава до глубин 350-400 км должно кристаллизоваться в форме минеральной ассоциации, содержащей в определенных соотношениях оливин, пироксен и гранат.

При этом устойчивая минеральная ассоциация пиролитового состава в процентах выглядит следующим образом: оливин - 57, ортопироксен - 17, клинопироксен - 12, гранаты - 14. В этих минералах кремний находится в четверной координации, а магний, железо и кальций - в шестерной и восьмерной. Молекулярное отношение Fe/(Fe+Mg) в пиролите составляет 11%.

Рис. 3.4. Схема соотношения литосферы, астеносферы и тектоносферы.

Каково же состояние вещества в слое В верхней мантии? Непосредственно ниже границы Мохо располагается высокоскоростной твердый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, который совместно с земной корой называют литосферой. Ниже литосферы отмечается слой, в котором наблюдается некоторое уменьшение скорости распространения сейсмических волн (особенно поперечных), что свидетельствует о своеобразном состоянии вещества. Этот слой менее вязкий, более пластичный по отношению к выше и ниже расположенным слоям, называют астеносферой (греч. "астенос" - слабый) или волноводом (рис. 3.4). Именно с этим слоем связывают горизонтальные движения литосферных плит. С чем же связано снижение скорости сейсмических волн в астеносферном слое? По-видимому, под влиянием нарастания температуры часть мантийного вещества (около 1%) плавится, возможно, образуются жидкие пленки вокруг твердых зерен породы или просто капли жидкости, в результате уменьшается вязкость. Глубина залегания астеносферного слоя неодинакова под океанами и континентами. Длительное время считалось, что под океанами она располагается на глубинах 50-60 км, а под континентами - 80-100 км и имеет мощность 250 км.

Широкие всесторонние исследования последних десятилетий указывают на более сложную картину распространения астеносферы. Обнаружено, что под рифтами срединно-океанских хребтов астеносферный слой местами находится на глубине 2-3 км от поверхности дна (Восточно-Тихоокеанское поднятие). Особенно много отклонений от прежних данных получено под устойчивыми участками платформ, называемых щитами, где древние кристаллические породы выходят непосредственно на поверхность (Балтийский, Украинский и др.). В их пределах сейсмическими исследованиями не обнаружена астеносфера до глубин 200-250 км. Основываясь на этих и дополнительных данных, полученных за последнее время, некоторые исследователи высказывают мысль о прерывности астеносферного слоя, о наличии лишь отдельных астенолинз. Однако есть косвенные указания о наличии астеносферы и под щитами платформ. Об этом свидетельствует явление изостазии (греч. "изос" - равный, одинаковый, "стасио" - состояние) - состояние равновесия масс земной коры и мантии. Так, например, известно, что Канадский и Балтийский древние щиты платформы подвергались мощным четвертичным оледенениям. Под влиянием ледниковой нагрузки эти части континентов прогибались, как это наблюдается сейчас в Антарктиде и Гренландии. После таяния ледников и снятия нагрузки за относительно небольшой срок произошел быстрый подъем - выравнивание нарушенного равновесия.

Почему же нет достаточных сейсмических доказательств существования астеносферы под щитами? По данным В.Е. Хаина, причина кажущегося отсутствия астеносферы под щитами связана с ее залеганием глубже 200-250 км и увеличением вязкости в сравнении с вязкостью в этом слое под океанами и горными сооружениями, что и вызывает большие трудности обнаружения ее существующими методами. За последние годы получены данные о вертикальной неоднородности, или расслоенности, астеносферы. Глубина распространения подошвы астеносферы оценивается неоднозначно. Ряд исследователей считают, что она может опускаться местами до глубин 300-400 км, т.е. до основания слоя В верхней мантии. Другие считают, что она захватывает и некоторую часть слоя С. Учитывая эндогенную активность литосферы и верхней мантии, введено обобщающее понятие тектоносферы (см. рис. 3.4). Это понятие объединяет земную кору и верхнюю мантию до глубин около 700 км (где зафиксированы наиболее глубокие очаги землетрясений).

Каковы же состояние и состав вещества в более глубоких частях мантии, слоях С и D? Высказывается предположение о том, что с ростом давления и температуры происходит переход вещества в более плотные модификации. На глубинах более 400(500) км оливин и другие минералы при существующих давлениях претерпевают фазовый переход и приобретают структуру шпинелей, в которой большие ионы кислорода перестраиваются, образуя структуру, близкую к кубической гранецентрированной, соответствующей плотнейшей упаковке, а остальные ионы (Si²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ Fe³⁺ и др.) располагаются между ними. В результате плотность шпинелевой модификации возрастает на 11% по отношению к оливиновой.

Такой переход подтверждается экспериментальными исследованиями. По данным А. Алиссона, в лабораторных опытах при давлении, соответствующем глубине 500 км, оливин приобретает более плотную внутреннюю структуру типа шпинелевой и сокращается в объеме на 10%. При давлениях, существующих на глубинах 700-1000 км, происходит еще большее уплотнение и структура шпинели приобретает более плотную модификацию - перовскитовую (Са, ТiOз). Нижнюю мантию (слой D) называют перовскитовой. Итак, намечается последовательная смена основных минеральных фаз и плотности упаковки в них на различных глубинах - от пиролитовой (оливино-пироксеновои) фазы до глубины 400(420) км к шпинелевой до глубины 670-700 км, к перовскитовой до глубины 2900 км.

Существует и другое мнение относительно состава и состояния вещества в низах слоя С и нижней мантии. Предполагают, что в нижней мантии возможен распад железисто-магнезиальных силикатов на окислы, обладающие плотнейшей упаковкой: Аl₂O₃ (корунд), MgO (периклаз), Fе₂O₃ (гематит), ТiO₂ (рутил) и SiO₂ (стишовит), для которого характерны плотность 4,25 г/см³ и наличие иона в шестерной координации в отличие от четверной при нормальных условиях.

Ядро Земли. Вопрос о состоянии и составе ядра до сих пор является наиболее сложным и дискуссионным. Как было сказано, наблюдается резкое падение скорости сейсмических продольных волн с 13,6 км/с в основании слоя D верхней мантии до 8,0-8,1 км/с во внешнем ядре, а поперечные волны совсем гасятся на этой границе. Эти данные показывают, что внешняя часть ядра Земли жидкая, т.е. она не обладает прочностью на сдвиг в отличие от твердого тела.

Внутреннее ядро, по-видимому, находится в твердом состоянии, о чем свидетельствует заметное возрастание скорости продольных сейсмических волн от промежуточного слоя F к внутренней части ядра. Для ядра характерны большая плотность и высокая металлическая электропроводность. Каков же состав ядра? Длительное время по аналогии с железными метеоритами считалось, что ядро сложено никелистым железом. Однако это не согласуется с экспериментальными данными о плотности и с расчетами, касающимися скоростей сейсмических волн. В свете современных данных плотность ядра Земли на 10% ниже, чем у железоникелевого сплава при существующих в ядре давлениях и температурах. Исходя из этого высказывается мысль о том, что в ядре помимо никелистого железа должны присутствовать и более легкие элементы, такие, как кремний или сера. В настоящее время многие исследователи считают, что ядро Земли состоит из железа с примесью никеля и серы с возможным присутствием и других элементов (кремния или кислорода).

Континентальная кора состоит из трех слоев - осадочного, гранито-гнейсового и гранулито-базитового, мощностью от 30-40 до 70-75 км. Океанская кора мощностью до 6-7 км имеет трехслойное строение. Под маломощным слоем рыхлых осадков залегает второй океанский слой, состоящий из базальтов, третий слой сложен габбро с подчиненными ультрабазитами. Субконтинентальная кора приурочена к островным дугам, а субокеанская - к впадинам окраинных и внутриконтинентальных морей. В пределах мантии происходит последовательная смена основных минеральных фаз и плотности упаковки в них на различных глубинах. Ядро состоит из никелистого железа с присутствием, серы. Земная кора и верхняя часть мантии до глубин 80-150 км находится в твердом состоянии и называется литосферой. До глубин около 400 км располагается астеносфера, ниже 400-420 км до глубины 2900 км нарастание скорости сейсмических волн свидетельствует о твердом состоянии вещества. Внешнее ядро - жидкое.

-?-

1. Каково строение континентальной земной коры?

2. Чем отличается строение субконтинентальной земной коры и где она развита?

3. Каково строение океанской земной коры?

4. К каким зонам приурочена субокеанская земная кора и каково ее строение?

5. Что такое литосфера и астеносфера? На какой глубине располагается астеносфера под континентами и океанами?

6. Что такое тектоносфера и по каким данным она выделяется?

7. Каково состояние и состав вещества в слоях С и D мантии Земли?

8. Каково состояние и состав вещества внешнего и внутреннего ядра Земли?

Литература