Жер қабығы мен ядро арасындағы силикат тау жынысы қабаты

Кіріспе

Жер қыртысы мен сыртқы ядросы арасындағы силикат тау жыныстары қабаты Жердің мантиясы – Жер қыртысы мен сыртқы ядросы арасындағы силикат тау жыныстары қабаты. Оның массасы және осылайша Жердің массасының 67% құрайды. Оның қалыңдығы – . Орта мұхит жоталарында мантияның ішінара балқуы мұхиттық қыртысты, ал субдукция аймақтарында мантияның ішінара балқуы құрлықтық қыртысты жасайды.

Минералогиялық құрылысы

Мантияның жоғарғы жағы сейсмикалық жылдамдықтың күрт өсуімен сипатталады, бұл құбылысты алғаш 1909 жылы Андрия Мохоровичич байқаған; қазір бұл шекара Мохоровичич үзділігі немесе "Мохо" деп аталады. Жоғарғы мантияның құрамы негізінен перидотит, ол оливин, клинопироксен, ортопироксен және алюминийлі фаза минералдарының әртүрлі пропорцияларынан тұрады. Алюминийлі фаза жоғарғы мантияда плагиоклаз, одан кейін спинель, ал одан төменде гранат болып табылады. Жоғарғы мантияға қарай піроксендердің тұрақтылығы төмендеп, олар майоритикалық гранатқа айналады. Өткісіш аймақтың жоғарғы бөлігінде оливин изохимиялық фазалық өзгерістерге ұшырап, вадслейт пен рингвудитке айналады. Аталған сусызданған оливиннен айырмашылығы, бұл жоғары қысымды оливин полиморфтары кристалдық құрылымында суды сақтауға қабілетті. Осыған байланысты өткісіш аймақта судың көп мөлшерде болуы мүмкін деген гипотеза пайда болды. Өткісіш аймақтың төменгі жағында рингвудит бриджманитке (бұрын магний силикаты перовскиті деп аталған) және ферропериклазға ыдырайды. Гранат та өткісіш аймақтың төменгі жағында немесе одан сәл төменде тұрақсыз болады. Төменгі мантияның құрамы негізінен бриджманит пен ферропериклаздан тұрады, сонымен қатар аздаған мөлшерде кальций перовскиті, кальций ферриті құрылымды оксид және стишовит кездеседі. Мантияның ең төменгі бөлігінде бриджманит изохимиялық түрлену арқылы постперовскитке айналады.

Тея апатының ықтимал қалдықтары

Жердің ішкі құрылымының сейсмикалық суреттері төменгі мантиядағы екі континент мөлшеріндегі, төмен сейсмикалық жылдамдыққа ие аномалияларды көрсетті. Бұл аймақтар тығыз және айналағы мантиядан құрамы бойынша өзгеше. Бұл аномалиялар Айдың пайда болуына себеп болған алып соқтығыстан кейін қалған Тея мантиясының жерге көмілген қалдықтары болуы мүмкін.

Құрамы

Мантияның химиялық құрамын жоғары дәрежеде анықтау қиын, өйткені ол негізінен қолжетімді емес. Мантиялық тау жыныстарының сирек кездесетін экспозициялары офиолиттерде кездеседі, мұнда мұхиттық литосфераның бөліктері құрлыққа шығарылған. Мантиялық жыныстар базальттар мен кимберлиттердегі ксенолиттер ретінде де алынады. Жердің жоғарғы мантиясының құрамы (тозған MORB)Құрамы Масса пайызыSiO2 44.71MgO 38.73FeO 8.18Al2O3 3.98CaO 3.17Cr2O3 0.57NiO 0.24MnO 0.13Na2O 0.13TiO2 0.13P2O5 0.019K2O 0.006.

Мантияның құрамына қатысты көптеген бағалаулар тек жоғарғы мантияның үлгілеріне негізделген. Мантияның қалған бөлігінің, әсіресе төменгі мантияның, бірдей жалпы құрамы бар ма деген пікірталас бар. Жердің мантиясының құрамы Жер тарихы бойында мұхиттық және континенттік қабықтарды құрау үшін қатып қалған магманың алынуы нәтижесінде өзгерген. Сонымен қатар, 2018 жылғы зерттеуде мантиядағы суперкритикалық судан мұз VII деп аталатын судың ерекше түрі пайда болуы мүмкін екендігі айтылды, себебі қысыммен толтырылған су көпіршіктерін қамтитын алмаздар жоғары көтеріліп, суды мұз VII түзілуіне қажетті жағдайларға дейін салқындатады.

Температура және қысым

Мантияда температуралар қыртыстың жоғарғы шегінде шамамен 500 К (230 °C; 440 °F) -дан басталып, ядро-мантия шекарасында шамамен 4200 К (3900 °C; 7100 °F) дейін жетеді. Мантияның температурасы мантияның жоғарғы және төменгі бөліктеріндегі жылулық шекаралық қабаттарда жылдам өседі, ал мантияның ішкі бөлігінде біртіндеп артады. Жоғары температуралар жер бетіндегі мантия тауларының балқу температурасынан (өкілді перидотит үшін шамамен 1500 К (1200 °C; 2200 °F)) әлдеқайда жоғары болғанымен, мантия көбінесе қатты күйде сақталады. Мантияға түсетін зор литостатикалық қысым балқу процесін тоқтатады, себебі балқу басталатын температура (солидус) қысыммен бірге артады. Мантиядағы қысым Мохо шекарасындағы бірнеше жүз мегапаскальден ядро-мантия шекарасына дейін өседі. Жер мантиясының конвекциясы – бұл сұйықтық динамикасы мағынасындағы (қауіпті) процесс, ол плиталардың қозғалысының маңызды бөлігі деп есептеледі. Плиталардың қозғалысын континенттік дрейфпен шатастыруға болмайды, себебі континенттік дрейф – материктердің қабық құрауыштарының қозғалысына ғана қатысты құбылыс. Литосфера мен оның астындағы мантияның қозғалысы байланысты, өйткені литосфераның төмен қарай батуы мантиядағы конвекцияның маңызды бөлігі болып табылады. Байқалған континенттік дрейф – мұхиттық литосфераның батуына себеп болатын күштер мен Жер мантиясындағы қозғалыстардың күрделі байланысы. Тереңдік артқан сайын тұтқырлықтың жоғарылау тенденциясы бар, бірақ бұл қатынас сызықтық емес және әсіресе жоғарғы мантияда және ядромен шекарада тұтқырлықтың күрт төмендеуі байқалатын қабаттар бар. Ядро-мантия шекарасынан шамамен біршама жоғарыдағы мантияның сейсмикалық қасиеттері сәл төмендегі мантиядан ерекшеленеді; бұл ерекше мантия аймағы ядродан жоғары орналасқан D («D қос прайм»), бұл терминологияны 50 жыл бұрын геофизик Кит Буллен енгізген. D субдукцияланған плиталардан, ядро-мантия шекарасына түсіп, тоқтаған материалдан немесе перовскитте жаңадан ашылған минерал полиморфынан – постперовскиттен тұруы мүмкін. Жер сілкінісінің шағын тереңдіктегі себебі – жарықтардың пайда болуы; алайда, шамамен төменде ыстық, жоғары қысымды жағдайлар одан әрі сейсмикалық белсенділікті тежеуі керек. Мантия тұтқыр және сыныптардың пайда болуына қабілетсіз деп есептеледі. Дегенмен, субдукциялық аймақтарда жер сілкінісі төмендеуі байқалады. Бұл құбылысты түсіндіру үшін дегидратация, жылулық қашу және фазалық өзгеріс сияқты бірнеше механизмдер ұсынылған. Жер асты жылу градиенті жер бетінен төмен қарай салқын материал батқан жерде төмендеуі мүмкін, бұл қоршаған мантияның беріктігін арттырады және жер сілкінісінің тереңдігіне дейін және мантияның төменгі жағындағы қысым ~. Тереңдік артқан сайын қысым артады, себебі төмендегі материал жоғарыдағы барлық материалдың салмағын көтереді. Алайда, бүкіл мантия ұзақ уақыт аралығында сұйықтық сияқты деформацияланады деп саналады, бұл тұрақты пластикалық деформация мантияны құрайтын қатты кристалдар арқылы нүктелік, сызықтық және/немесе жазықтық ақаулардың қозғалысымен үйлестіріледі. Жоғарғы мантияның тұтқырлығының бағасы тереңдікке байланысты e=19 және e=24 Па·с аралығында болады.

In the mantle, temperatures range from approximately 500 K (230 °C; 440 °F) at the upper boundary with the crust to approximately 4,200 K (3,900 °C; 7,100 °F) at the core mantle boundary. The temperature of the mantle increases rapidly in the thermal boundary layers at the top and bottom of the mantle, and increases gradually through the interior of the mantle. Although the higher temperatures far exceed the melting points of the mantle rocks at the surface (about 1,500 K (1,200 °C; 2,200 °F) for representative peridotite), the mantle is almost exclusively solid. The enormous lithostatic pressure exerted on the mantle prevents melting, because the temperature at which melting begins (the solidus) increases with pressure. The pressure in the mantle increases from a few hundred megapascals at the Moho to at the core mantle boundary. The convection of the Earth's mantle is a chaotic process (in the sense of fluid dynamics), which is thought to be an integral part of the motion of plates. Plate motion should not be confused with continental drift which applies purely to the movement of the crustal components of the continents. The movements of the lithosphere and the underlying mantle are coupled since descending lithosphere is an essential component of convection in the mantle. The observed continental drift is a complicated relationship between the forces causing oceanic lithosphere to sink and the movements within Earth's mantle. Although there is a tendency to larger viscosity at greater depth, this relation is far from linear and shows layers with dramatically decreased viscosity, in particular in the upper mantle and at the boundary with the core. The mantle within about above the core–mantle boundary appears to have distinctly different seismic properties than the mantle at slightly shallower depths; this unusual mantle region just above the core is called D ("D double prime"), a nomenclature introduced over 50 years ago by the geophysicist Keith Bullen. D may consist of material from subducted slabs that descended and came to rest at the core–mantle boundary or from a new mineral polymorph discovered in perovskite called post perovskite. Earthquakes at shallow depths are a result of faulting; however, below about the hot, high pressure conditions ought to inhibit further seismicity. The mantle is considered to be viscous and incapable of brittle faulting. However, in subduction zones, earthquakes are observed down to A number of mechanisms have been proposed to explain this phenomenon, including dehydration, thermal runaway, and phase change. The geothermal gradient can be lowered where cool material from the surface sinks downward, increasing the strength of the surrounding mantle, and allowing earthquakes to occur down to a depth of between and
The pressure at the bottom of the mantle is ~. Pressure increases as depth increases, since the material beneath has to support the weight of all the material above it. The entire mantle, however, is thought to deform like a fluid on long timescales, with permanent plastic deformation accommodated by the movement of point, line, and/or planar defects through the solid crystals composing the mantle. Estimates for the viscosity of the upper mantle range between e=19 and e=24 Pa·s, depending on depth,

Барлау

Мантияны зерттеу әдетте құрлықта емес, теңіз түбінде жүргізіледі, себебі мұхит қабығы континенттік қабыққа қарағанда салыстырмалы түрде жұқа. Мантияны зерттеудің алғашқы әрекеті, «Mohole жобасы» деп аталған, 1966 жылы қайта-қайта сәтсіздіктер мен шығындардың артуына байланысты тоқтатылды. Ең терең бұрғылау 2005 жылы JOIDES Resolution мұхит бұрғылау кемесімен теңіз түбінен шамамен жетістікке жетті. 1968 жылдан 1983 жылға дейін жұмыс істеген «Терең теңіз бұрғылау жобасы» (DSDP) одан да сәтті болды. Сан-Диегодағы Калифорния университетінің Скриппс океанография институтының үйлестіруімен DSDP теңіз түбінің таралу гипотезасын растауға қажетті маңызды деректерді ұсынды және плиталар тектоникасы теориясын дәлелдеуге көмектесті. Бұрғылау жұмыстарын «Гломар Челленджер» жүргізді. DSDP 40 жылдан астам уақыт бойы жұмыс істеп келе жатқан үш халықаралық ғылыми мұхит бұрғылау бағдарламасының біріншісі болды. Ғылыми жоспарлау терең жерлерді зерттеу жөніндегі бірлескен океанографиялық институттардың (JOIDES) басшылығымен жүзеге асырылды, оның кеңесші тобы бүкіл әлемдегі академиялық мекемелерден, мемлекеттік органдардан және жеке сектордан 250 беделді ғалымнан құралды. «Мұхит бұрғылау бағдарламасы» (ODP) 1985 жылдан 2003 жылға дейін зерттеулерді жалғастырды, содан кейін «Интегралды мұхит бұрғылау бағдарламасы» (IODP) оны алмастырды. 2007 жылдың 5 наурызында RRS James Cook кемесіндегі ғалымдар тобы Атлант мұхитының түбіндегі, Кабо-Верде аралдары мен Кариб теңізі арасындағы мантияның қандай да бір қабықпен жабылмаған аймағына сапарға шықты. Ашық жатқан жер теңіз бетінен шамамен үш километр тереңдікте орналасқан және мыңдаған шаршы километрді алып жатыр. 2007 жылдың соңында Жердің мантиясынан үлгі алуға салыстырмалы түрде қиын әрекет жоспарланған. «Чикю Хаккен» миссиясы жапондық «Чикю» кемесін теңіз түбін бұрғылау үшін пайдалануға тырысты. Бұл бұрынғы теңіз бұрғылау жұмыстарынан үш есеге жуық тереңдікке жететін еді. 2005 жылы Жердің ең жоғарғы бірнеше жүз шақырымын зерттеудің жаңа әдісі ұсынылды, ол кішкентай, тығыз, жылу шығаратын зондтан тұрады, ол қыртыс пен мантия арқылы төмен қарай еріп, оның орны мен ілгерілеуі тау жыныстарында туындаған акустикалық сигналдармен бақыланады. Зондтың сыртқы қабығы диаметрі шамамен бір метр вольфрамнан жасалған, ал ішкі бөлігі кобальт-60 радиоактивті жылу көзі ретінде қызмет етеді. Есептеулерге сүйенсек, мұндай зонд 6 айдан кем уақыт ішінде мұхиттық Мохоға жетеді және бірнеше онжылдықтар ішінде мұхиттық және континенттік литосфераның астындағы ең тереңдікке жете алады. Мантияның эволюциясын компьютерлік модельдеу арқылы зерттеуге де көмектесуге болады. 2009 жылы суперкомпьютерлік қосымша мантияның пайда болған 4,5 миллиард жыл бұрынғы минералдық кен орындарының, әсіресе темір изотоптарының таралуы туралы жаңа түсініктер берді. 2023 жылы JOIDES Resolution Атлантис массивіне бірнеше жүз метр бұрғылаудан кейін жоғарғы мантиядан шыққан тау жыныстары сияқты ядроларды алды. Ұңғыманың ең тереңдігі 1268 метрге жетті, ал алынған тау жынысы үлгілерінің жалпы көлемі 886 метрді құрады, олардың көп бөлігі перидотиттен тұрады. Үлгілердің жоғарғы мантияны қаншалықты дәл бейнелейтіні туралы пікірталас бар, кейбіреулер теңіз суының әсерінен олар терең төменгі қыртыстың мысалдары болуы мүмкін деп санайды. Дегенмен, алынған үлгілер магмалық ксенолиттерге қарағанда мантиялық жыныстарға анағұрлым жақын аналогтар болып табылады, өйткені алынған жыныстар ешқашан магмаға еріген немесе қайтадан кристалдаспаған.

Exploration of the mantle is generally conducted at the seabed rather than on land because of the relative thinness of the oceanic crust as compared to the significantly thicker continental crust. The first attempt at mantle exploration, known as Project Mohole, was abandoned in 1966 after repeated failures and cost over runs. The deepest penetration was approximately In 2005 an oceanic borehole reached below the sea floor from the ocean drilling vessel JOIDES Resolution. More successful was the Deep Sea Drilling Project (DSDP) that operated from 1968 to 1983. Coordinated by the Scripps Institution of Oceanography at the University of California, San Diego, DSDP provided crucial data to support the seafloor spreading hypothesis and helped to prove the theory of plate tectonics. Glomar Challenger conducted the drilling operations. DSDP was the first of three international scientific ocean drilling programs that have operated over more than 40 years. Scientific planning was conducted under the auspices of the Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling (JOIDES), whose advisory group consisted of 250 distinguished scientists from academic institutions, government agencies, and private industry from all over the world. The Ocean Drilling Program (ODP) continued exploration from 1985 to 2003 when it was replaced by the Integrated Ocean Drilling Program (IODP). On 5 March 2007, a team of scientists on board the RRS James Cook embarked on a voyage to an area of the Atlantic seafloor where the mantle lies exposed without any crust covering, midway between the Cape Verde Islands and the Caribbean Sea. The exposed site lies approximately three kilometres beneath the ocean surface and covers thousands of square kilometres. A relatively difficult attempt to retrieve samples from the Earth's mantle was scheduled for later in 2007. The Chikyu Hakken mission attempted to use the Japanese vessel Chikyū to drill up to below the seabed. This is nearly three times as deep as preceding oceanic drillings. A novel method of exploring the uppermost few hundred kilometres of the Earth was proposed in 2005, consisting of a small, dense, heat generating probe which melts its way down through the crust and mantle while its position and progress are tracked by acoustic signals generated in the rocks. The probe consists of an outer sphere of tungsten about one metre in diameter with a cobalt 60 interior acting as a radioactive heat source. It was calculated that such a probe will reach the oceanic Moho in less than 6 months and attain minimum depths of well over in a few decades beneath both oceanic and continental lithosphere. Exploration can also be aided through computer simulations of the evolution of the mantle. In 2009, a supercomputer application provided new insight into the distribution of mineral deposits, especially isotopes of iron, from when the mantle developed 4.5 billion years ago. In 2023, JOIDES Resolution recovered cores of what appeared to be rock from the upper mantle after drilling only a few hundred meters into the Atlantis Massif. The borehole reached a maximum depth of 1,268 meters and recovered 886 meters of rock samples consisting of primarily peridotite. There is debate over the extent to which the samples represent the upper mantle with some arguing the effects of seawater on the samples situates them as examples of deep lower crust. However, the samples offer a much closer analogue to mantle rock than magmatic xenoliths as the sampled rock never melted into magma or recrystallized.