Главная Книга по ботанике Мантия и ядро земли. Химический состав мантии и ядра земли. Мантия и ее изучение — видео

Мантия и ядро земли. Химический состав мантии и ядра земли. Мантия и ее изучение — видео

Под земной корой расположен следующий слой, именуемый мантией. Он окружает ядро планеты и имеет толщину почти три тысячи километров. Строение мантии Земли очень сложное, поэтому требует детального изучения.

Мантия и ее особенности

Название данной оболочки (геосферы) происходит от греческого слова, обозначающего плащ или покрывало. В действительности, мантия, словно покрывало окутывает ядро. На нее приходится около 2/3 массы Земли и примерно 83% ее объема.

Принято считать, что температура оболочки не превышает 2500 градусов по Цельсию. Ее плотность в разных слоях существенно отличается: в верхней части она составляет до 3.5 т/куб.м, а в нижних – 6 т/куб.м. Состоит мантия из твердых кристаллических веществ (тяжелых минералов, богатых железом и магнием). Исключением является только астеносфера, которая находится полурасплавленном состоянии.

Структура оболочки

Теперь рассмотрим строение мантии земли. Геосфера состоит из следующих частей:

верхняя мантия, толщиной 800-900 км;
астеносфера;
нижняя мантия, толщиной около 2000 км.

Верхняя мантия – это часть оболочки, которая расположена ниже земной коры и входит в литосферу. В свою очередь она делится на астеносферу и слой Голицина, который характеризуется интенсивным увеличением скоростей сейсмических волн. Эта часть мантии Земли влияет на такие процессы, как тектонические движения плит, метаморфизм и магматизм. Стоит отметить, что строение ее отличается в зависимости от того, под каким тектоническим объектом она располагается.

Астеносфера. Само название серединного слоя оболочки с греческого языка переводится, как «слабый шар». Геосфера, которую относят к верхней части мантии, а иногда выделяют в отдельный слой, характеризируется пониженной твердостью, прочностью и вязкостью. Верхняя граница астеносферы всегда находится ниже крайней линии земной коры: под континентами – на глубине 100 км, под морским дном – 50 км. Нижняя черта ее расположена на глубине 250-300 км. Астеносфера является главным источником магмы на планете, а движение аморфного и пластичного вещества считается причиной тектонических движений в горизонтальной и вертикальной плоскостях, магматизма и метаморфизма земной коры.

О нижней части мантии ученые знают немного. Считается, что на границе с ядром расположен особенный слой Д, напоминающий астеносферу. Он отличается высокой температурой (из-за близости раскаленного ядра) и неоднородностью вещества. В состав же массы входит железо и никель.

Состав мантии Земли

Кроме строения мантии Земли интересен и ее состав. Геосферу создают оливин и ультраосновные породы (перидотиты, перовскиты, дуниты), но присутствуют и основные породы (эклогиты). Установлено, что в оболочке содержатся редкие разновидности, которые не встречаются в земной коре (гроспидиты, флогопитовые перидотиты, карбонатиты).

Если говорить о химическом составе, то в мантии в разной концентрации содержатся: кислород, магний, кремний, железо, алюминий, кальций, натрий и калий, а также их оксиды.

Мантия и ее изучение — видео

Мантия земли - геосфера, расположенная между земной корой и ядром. Мантия составляет 83% объема и 67% всей массы Земли. В ней выделяют несколько слоев -- верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет четкой границы. Кроме того, верхнюю мантию еще подразделяют на несколько геосфер. Мантия занимает огромный диапазон глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру.

Согласно современным научным представлениям, состав земной мантии считается похожим на состав каменных метеоритов. В состав мантии преимущественно входят химические элементы, находившиеся в твёрдом состоянии или в твёрдых химических соединениях во время формирования Земли: кремний, железо, кислород, магний и др.

Верхняя мантия -- геосфера, расположенная между земной корой и нижней мантией Земли. Сверху отделена от коры поверхностью Мохоровичича. Нижняя граница верхней мантии нечёткая, находится на глубине около 900 км. Верхняя мантия играет важную роль в тектонических, магматические и метаморфических процессах, происходящих в земной коре, в образовании полезных ископаемых и т.д.

Субстрат. Субстрат - слой верхней мантии, располагающийся на астеносфере. Вместе с земной корой образует литосферу. Представляет собой жесткую платформу, на которой в процессе геологического развития, возникла земная кора. Предполагается, что эта геосфера имеет пониженную вязкость, в связи с чем, испытывает медленные перемещения (токи), под действием нижележащих структур. Именно с этим связывают причину перемещения литосферных плит. Кроме того, весь субстрат находится в состоянии изостазии, обуславливающем взаимное уравновешивание плит: при опускании одних, поднимаются другие.

Астеносфера. Скорости сейсмических волн в мантии растут с глубиной. Но начиная с глубины 80--100 км под материками и около 50 км под океанами они понижаются на протяжении около 100 км, потом начинают повышаться и на глубине около 400 км приходят опять к нормальным значениям, соответствующим общему ходу кривых на графике скоростей в этой части мантии. Особенно заметно понижение скорости поперечных волн. Эту зону пониженных скоростей сейсмических волн называют астеносферой или слоем Гутенберга.

Из-за большой температуры и давления, вещество не расплавляется, а переходит в аморфное состояние. Есть и другое предположение: в слое Гутенберга расплавились только самые легкоплавкие кристаллы, так что в твердом в общем веществе вкраплены отдельные капли жидкости. Из обоих предположений вытекает, что для астеносферы характерна пониженная вязкость, а это очень важно для объяснения многих процессов, протекающих на Земле.

Дело в том, что горные породы при большом давлении и температуре могут медленно течь, оставаясь твердыми, как течет ледник с горы. Очевидно, что перетекание материала при неравномерном давлении как раз и происходит в астеносфере. Считают, что изостазия возникает благодаря перетеканию материала в слое Гутенберга.

При измерении скорости распространения сейсмических волн, наблюдается, что поперечные упругие волны свободно проходят сквозь кору и всю мантию, а известно, что сквозь жидкость они не проходят. Это указывает на то, что ни в коре, ни в мантии нет сплошного жидкого слоя. Твердость верхней мантии подтверждается еще и тем, что в ней (как и в коре) наблюдаются очаги землетрясений -- в некоторых областях до глубины 700 км. Глубже землетрясений не бывает.

Слой Голицына. Оставшаяся часть верхней мантии под астеносферой называется слоем Голицына. В слое Голицына скорости сейсмических волн с глубиной растут особенно быстро. Это объясняется тем, что под действием очень большого давления, силикаты приобретают другую форму кристаллов, с более плотной упаковкой атомов. Это и приводит к сильному увеличению скоростей сейсмических волн. Одновременно должна возрастать и плотность, поэтому в слое Голицына предполагают быстрый рост плотности с глубиной.

Слой Голицына служит границей раздела между верхней и нижней мантией и располагающийся на глубине около 670 км.

Нижняя мантия - часть мантии, находящаяся под астеносферой и залегающая на глубинах 670 -- 2900 км. В нижней мантии скорости сейсмических волн растут с глубиной как раз так, как они должны расти за счет роста давления. Рост плотности идет только за счет упругого сжатия под давлением. На долю нижней мантии приходится 47% объема Земли и 41% ее массы. По сейсмическим данным в ней выделяют слои D" и D".

Мантийный слой D". Характеризуется дальнейшим нарастанием скоростей сейсмических колебаний (скорость поперечных упругих волн достигает 10,75-13,68 км/c). На рубеже 660 км скорость сейсмических волн аномально низка и имеет горизонтальные и вертикальные неоднородности. Это связывают с изменением состава мантии (переход минералов рингвудтита и мейжорита в первоскит, магнезиовюстит и оксидные фазы). Большинство исследователей принимает, что нижняя мантия на 70% сложена перовскитом.

Увеличение плотности с глубиной, начиная с 670 км, иногда связывают с увеличением содержания железа, т.е. допускается изменение химического состава мантии. Максимальная вязкость (прочность, добротность) мантийного вещества отмечается на глубине? 2000 км.

Граница раздела. Сама граница между слоями D" и D" выражена с различной чёткостью. На одних участках переход постепенный, на других -- резкий; на одних участках ниже этой границы сейсмические скорости возрастают, на других -- понижаются.

Мантийный слой D". Отличительной особенностью данного слоя является резко выраженная анизотропность. Она проявлена неровностью кровли, соответственно изменчивой мощностью, значительными вариациями сейсмических скоростей в вертикальном и горизонтальном направлениях, наличием в основании слоя зоны ультранизких скоростей.

Очень важное значение имеет открытие в основании слоя зоны низких сейсмических скоростей, обладающей мощностью 20-30 км. Предполагается, что вещество находится здесь в состоянии значительного частичного плавления, что определяет возможность интенсивного массо- и теплообмена между мантией и ядром Земли. Расплавленное железо из мантии стекает в ядро, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии и происходит разуплотнение мантии. Мантийный слой D" на 75 % сложен постперовскитом, который устойчив в широком диапазоне термодинамических условий и хорошо объясняет свойства слоя D"

Тепло- и массообмен осуществляются не только непосредственно вдоль границы мантия-ядро (2900 км), но и во всём объёме слоя D", который с одной стороны является местом зарождения масштабных восходящих потоков разогретого разуплотнённого мантийного вещества, а с другой -- местом захоронения погружающихся слэбов океанской литосферы.

В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2 900 км.

В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия слой В глубиной до 400 км и С до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия слой D до глубины 2700 с переходным слоем D1 от 2700 до 2900 км.

Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращенно, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей - от 7 до 8-8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670 км.

Строение Земли по представления различных исследователей

Отличие состава земной коры и мантии - следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и легкую часть - кору и плотную и тугоплавкую мантию.

Источники информации о мантии

Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.

Мантию изучают по следующим данным:

Альпинотипные гипербазиты - части мантии, внедренные в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах , от которых и произошло название.
Офиолитовые гипербазиты - передотиты в составе офиолитовых комлексов - частей древней океанической коры .
Абиссальные перидотиты - выступы мантийных пород на дне океанов или рифтов .

Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно наблюдать геологические соотношения между различными породами.

Недавно было объявлено, что японские исследователи планируют предпринять попытку пробурить океаническую кору до мантии. Для этого построен кораблю Тикю . Начало бурения планируется на 2007 год.

Основной недостаток полученной из этих фрагментов информации - невозможность установления геологических соотношений между различными типами пород. Это кусочки паззла. Как сказал классик, «определение состава мантии по ксенолитам напоминает попытки определения геологического строения гор по галькам, которые из них вынесла речка».

Состав мантии

Мантия сложена главным образом ультаосновными породами: перидотитами , (лерцолитами , гарцбургитами , верлитами , пироксенитами), дунитами и в меньшей степени основными породами - эклогитами .

Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты.

Содержание основных элементов в мантии Земли в массовых процентах

Элемент	Концентрация	Оксид	Концентрация
	44.8
	21.5	SiO 2	46
	22.8	MgO	37.8
	5.8	FeO	7.5
	2.2	Al 2 O 3	4.2
	2.3	CaO	3.2
	0.3	Na 2 O	0.4
	0.03	K 2 O	0.04
Сумма	99.7	Сумма	99.1

Строение мантии

Процессы, идущие в мантии, оказывают самое непосредственное влияние на земную кору и поверхность земли, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. Всё больше свидетельств того, что на саму мантию активно влияет металлическое ядро планеты.

Конвекция и плюмы

Список литературы

Пущаровский Д.Ю., Пущаровский Ю.М. Состав и строение мантии Земли // Соросовский Образовательный Журнал, 1998, No 11, с. 111–119 .
Ковтун А.А. Электропроводность Земли // Соросовский Образовательный Журнал, 1997, No 10, с. 111–117

Источник : Короновский Н.В., Якушова А.Ф. "Основы геологии", М., 1991

Ссылки

Images of the Earth"s Crust & Upper Mantle // International Geological Correlation Programme (IGCP), Project 474

Атмосфера
Биосфера

И ядром из расплавленного железа. Она занимает основную часть Земли, составляя две трети массы планеты. Мантия начинается на глубине около 30 километров и достигает 2900 километров.

Структура Земли

Земля имеет тот же состав элементов, что и (не учитывая водород и гелий, которые улетучились из-за гравитации Земли). Не беря во внимание железо в ядре, мы можем подсчитать, что мантия представляет собой смесь магния, кремния, железа и кислорода, что примерно соответствует по составу минералам.

Но именно то, что смесь минералов присутствует на заданной глубине является сложным вопросом, который не достаточно обоснован. Мы можем получает образцы из мантии, куски пород, поднятые при определенных вулканических извержениях, с глубины около 300 километров, а иногда и гораздо глубже. Они показывают, что самая верхняя часть мантии состоит из перидотита и эклогита. Самое интересное, что мы получаем от мантии - это бриллианты.

Деятельность в мантии

Верхнюю часть мантии медленно перемешивают движения плит, проходящих над ней. Это вызвано двумя видами деятельности. Во-первых, происходит движение подвижных плит вниз, которые скользят друг под другом. Во-вторых, происходит восходящее движение мантийной породы, когда две тектонические плиты расходятся и раздвигаются. Тем не менее, все эти действие не полностью смешивает верхний слой мантии, и геохимики считают верхнюю мантию каменной версией мраморного пирога.

Мировые модели вулканизма отражают действие тектоники плит, за исключением нескольких областей планеты, называемых горячими точками. Горячие точки могут служить ключом к подъему и опусканию материалов гораздо глубже в мантии, возможно, с самого ее основания. В наши дни идет энергичная научная дискуссия о горячих точках планеты.

Изучение мантии с помощью сейсмических волн

Наш самый мощный метод изучения мантии - это мониторинг сейсмических волн от землетрясений в мире. Два разных вида сейсмичесих волн: волны P (аналогичные звуковым волнам) и волны S (например, волны от встряхиваемой веревки) отвечают физическим свойствам породы, через которую они проходят. Сейсмические волны отражают некоторые типы поверхностей и преломляют (изгибают) другие типы поверхностей, когда наносят по ним удар. Ученые используют эти эффекты для определения внутренних поверхностей Земли.

Наши инструменты достаточно хороши, чтобы рассматривать мантию Земли так, как врачи делают ультразвуковые снимки своих пациентов. После столетия сбора данных о землетрясениях мы можем сделать несколько впечатляющих карт мантии.

Моделирование мантии в лаборатории

Минералы и породы меняются под высоким давлением. Например, общий мантийный минерал - оливин преобразовывается в различные кристаллические формы на глубинах около 410 километров и снова на 660 километрах.

Изучение поведения минералов в условиях мантии происходит двумя способами: компьютерное моделирование, основанное на уравнениях физики минералов и лабораторных экспериментах. Таким образом, современные исследования мантии проводятся сейсмологами, программистами и лабораторными исследователями, которые теперь могут воспроизводить условия в любом месте мантии с помощью лабораторного оборудования под высоким давлением, такого как ячейка с алмазной наковальней.

Слои мантии и внутренние границы

Столетие исследований позволило заполнить некоторые пробелы в знаниях о мантии. Она имеет три основных слоя. Верхняя мантия простирается от основания коры (Мохоровичича) до глубины 660 километров. Переходная зона расположена между 410 и 660 километрами, где происходят значительные физические изменения минералов.

Нижняя мантия простирается от 660 до примерно 2700 километров. Здесь сейсмические волны сильно приглушены, и большинство исследователей считают, что породы под ними различны по химическому составу, а не только по кристаллографии. И последний спорный слой на дне мантии имеет толщину около 200 километров и является границей между ядром и мантией.

Почему мантия Земли особенная

Поскольку мантия является основной частью Земли, ее история имеет фундаментальное значение для . Мантия сформировалась во время рождения Земли, как океан жидкой магмы на железном ядре. Поскольку она затвердевала, элементы, которые не вписывались в основные минералы, собрались в виде накипи на вершине коры. Затем, мантия начала медленную циркуляцию, которую продолжает последние 4 миллиарда лет. Верхняя часть мантии начала охлаждаться, потому что она перемешивалась и гидратировалась тектоническими движениями поверхностных плит.

В то же время мы многое узнали о структуре других (Меркурия, Венеры и Марса). По сравнению с ними, у Земли есть активная смазанная мантия, которая является особенной благодаря тому же элементу, который отличает ее поверхность: воде.

Мантия Земли – это наиболее важный участок нашей планеты, так как именно тут сосредоточена большая часть веществ. Он намного толще, чем остальные компоненты и, по сути, занимает большую часть пространства – около 80%. Изучению именно этой части планеты ученые посвятили большую часть времени.

Строение

Строение мантии ученые могут только предполагать, так как методов, которые бы однозначно дали ответ на данный вопрос, пока что не существует. Но, проведенные исследования дали возможность предположить, что данный участок нашей планеты состоит из таких слоев:

первый, наружный – он занимает от 30 до 400 километров земной поверхности;
переходная зона, которая расположена сразу за наружным слоем – по предположениям ученых она уходит вглубь примерно на 250 километров;
нижний слой – его протяжность самая большая, около 2900 километров. Он начинается сразу после переходной зоны и идет прямо к ядру.

Следует отметить, что в мантии планеты есть такие горные породы, которых нет в земной коре.

Состав

Само собой, что точно установить из чего состоит мантия нашей планеты, нельзя, так как добраться туда невозможно. Поэтому, все, что удается изучить ученым, происходит при помощи обломков этого участки, которые периодически появляются на поверхности.

Так, после ряда исследований удалось выяснить, что этот участок Земли черно-зеленого цвета. Основной состав — это горные породы, которые состоят из таких химических элементов:

кремний;
кальций;
магний;
железо;
кислород.

По внешнему виду, а в чем-то даже и по составу, она очень похожа на каменные метеориты, которые также периодически попадают на нашу планету.

Вещества, которые находятся в самой мантии, жидкие, вязкообразные, так как температура на данном участке превышает тысячи градусов. Ближе к коре Земли температура снижается. Таким образом, происходит некоторый круговорот – те массы, которые уже охладились, спускаются вниз, а разогретые до предела попадают наверх, поэтому процесс «смешивания» никогда не прекращается.

Периодически, такие разогретые потоки попадают в самую кору планеты, в чем им оказывают содействие действующие вулканы.

Способы изучения

Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.

Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:

скорость сейсмических волн;
сила тяжести;
характеристики и показатели электропроводности;
изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.

Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.

Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.

Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.

Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.

Давление и температура

Распределение давления в пределах мантии неоднозначно, собственно как и температурного режима, но обо всем по порядку. На долю мантии приходится больше половины веса планеты, а если сказать точнее, то 67%. В участках под земной корой давление составляет около 1,3-1,4 млн.атм., при этом, следует отметить, что в местах, где расположены океаны, уровень давления существенно спадает.

Что же касается температурного режима, то здесь данные вовсе неоднозначны и базируются только на теоретических предположениях. Так, у подошвы мантии предполагается температура в 1500-10 000 градусов по Цельсию. В целом, ученые предположили, что температурный уровень на данном участке планеты более близок к температуре плавления.