Мантия Земли: структура, состав и происхождение

Введение

Слой силикатной породы между земной корой и внешним ядром Земли.

Земная мантия — это слой силикатной породы, расположенный между земной корой и внешним ядром. Её масса составляет и, таким образом, составляет 67% массы Земли. Толщина мантии составляет . Частичное плавление мантии в срединно-океанических хребтах приводит к образованию океанической коры, а частичное плавление мантии в зонах субдукции — к образованию континентальной коры.

Минералогическая структура

Верхняя часть мантии определяется резким увеличением сейсмической скорости, впервые отмеченным Андрией Мохоровичичем в 1909 году; эта граница теперь называется разрывом Мохоровичича или "Мохо". Верхняя мантия сложена преимущественно перидотитом, состоящим в основном из переменных пропорций минералов оливина, клинопироксена, ортопироксена и минерала, содержащего алюминий. Минерал, содержащий алюминий, – плагиоклаз в верхней части мантии, затем шпинель, а ниже – гранат. По мере углубления в верхнюю мантию пироксены становятся менее стабильными и преобразуются в мажоритарный гранат. В верхней части переходной зоны оливин претерпевает изохимические фазовые переходы в вадслеит и рингвудит. В отличие от номинально безводного оливина, эти высокотемпературные полиморфы оливина обладают значительной способностью накапливать воду в своей кристаллической структуре. Это привело к гипотезе о том, что переходная зона может содержать значительное количество воды. В основании переходной зоны рингвудит разлагается на бриджманит (ранее называемый перовскитом силиката магния) и ферропериклаз. Гранат также становится нестабильным у основания или немного ниже основания переходной зоны. Нижняя мантия состоит главным образом из бриджманита и ферропериклаза, с небольшими количествами перовскита кальция, оксида кальция феррита и стишовита. В самой нижней части мантии бриджманит изохимически преобразуется в постперовскит.

Возможные остатки столкновения с Теей

Сейсмические изображения недр Земли выявили в самом нижнем слое мантии две аномалии размером с континент, характеризующиеся пониженными сейсмическими скоростями. Эти зоны более плотные и, вероятно, имеют отличный от окружающей мантии химический состав. Эти аномалии могут являться погребенными останками мантийного вещества Теи, сохранившимися после гигантского удара, в результате которого образовалась Луна.

Состав

Химический состав мантии трудно определить с высокой степенью достоверности из-за её значительной недоступности. Редкие обнажения мантийных пород встречаются в офиолитах, где участки океанической литосферы были надвинуты на континент. Породы мантии также исследуются в виде ксенолитов в базальтах или кимберлитах. +Состав верхней мантии Земли (обеднённый MORB)СоединениеМассовый процентSiO244.71MgO38.73FeO8.18Al2O33.98CaO3.17Cr2O30.57NiO0.24MnO0.13Na2O0.13TiO20.13P2O50.019K2O0.006
Большинство оценок состава мантии основаны на породах, представляющих только верхнюю часть мантии. Ведутся дискуссии о том, обладает ли остальная часть мантии, особенно нижняя мантия, тем же объёмным составом. Состав мантии менялся на протяжении истории Земли в результате извлечения магмы, которая затвердевала с образованием океанической и континентальной коры. Кроме того, в исследовании 2018 года было предложено, что экзотическая форма воды, известная как лёд VII, может образовываться из сверхкритической воды в мантии, когда алмазы, содержащие пузырьки воды под давлением, поднимаются вверх, охлаждая воду до условий, необходимых для формирования льда VII.

Температура и давление

В мантии температура колеблется 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. Температура мантии быстро возрастает в тепловых пограничных слоях в верхней и нижней частях мантии и постепенно увеличивается в ее недрах. Хотя более высокие температуры значительно превышают температуры плавления мантийных пород на поверхности (около 1500 К (1200 °C; 2200 °F) для типичного перидотита), мантия почти полностью твердая. Огромное литостатическое давление, оказываемое на мантию, препятствует плавлению, поскольку температура начала плавления (солидус) повышается с увеличением давления. Давление в мантии возрастает от нескольких сотен мегапаскалей на границе Мохоровичича до границы ядро-мантия. Конвекция в мантии Земли – это хаотичный процесс (в смысле гидродинамики), который считается неотъемлемой частью движения литосферных плит. Движение плит не следует путать с дрейфом континентов, который относится исключительно к перемещению компонентов коры континентов. Движения литосферы и лежащей в основе мантии взаимосвязаны, поскольку опускающаяся литосфера является важным компонентом конвекции в мантии. Наблюдаемый дрейф континентов представляет собой сложное взаимодействие сил, вызывающих погружение океанической литосферы, и движений внутри мантии Земли. Несмотря на тенденцию к увеличению вязкости с глубиной, эта зависимость далека от линейной и демонстрирует слои с резко сниженной вязкостью, особенно в верхней мантии и вблизи границы с ядром. Область мантии, расположенная примерно над границей ядро-мантия, обладает отчетливо отличными сейсмическими свойствами по сравнению с мантией на немного меньшей глубине; этот необычный регион мантии, расположенный непосредственно над ядром, называется D ("D двойной штрих"), терминология, введенная более 50 лет назад геофизиком Китом Булленом. D может состоять из материала субдуцированных плит, которые опустились и осели на границе ядро-мантия, или из новой минеральной полиморфной модификации, обнаруженной в перовските, – постперовскита. Землетрясения на небольшой глубине являются результатом разломов; однако ниже, в условиях высоких температур и давления, дальнейшая сейсмичность должна быть подавлена. Мантия считается вязкой и не способной к хрупкому разрушению. Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются до ряда механизмов, объясняющих это явление, включая обезвоживание, тепловой прорыв и фазовые переходы. Геотермический градиент может снижаться там, где холодный материал с поверхности опускается вниз, увеличивая прочность окружающей мантии и позволяя землетрясениям происходить на глубине от до давление на дне мантии составляет ~. С увеличением глубины давление возрастает, поскольку нижележащий материал должен поддерживать вес всех вышележащих слоев. Однако считается, что вся мантия деформируется подобно жидкости в течение длительных периодов времени, с постоянной пластической деформацией, обусловленной движением точечных, линейных и/или плоских дефектов в твердых кристаллах, составляющих мантию. Оценки вязкости верхней мантии варьируются от e=19 до e=24 Па·с, в зависимости от глубины.

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,

Разведка

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 проект «Мохоле», была прекращена в 1966 году после неоднократных неудач и превышения сметы. В 2005 году океаническая скважина достигла глубины под морским дном с океанического бурового судна JOIDES Resolution. Более успешным был проект глубоководного бурения (DSDP), который действовал с 1968 по 1983 год. Координируемый Институтом океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, DSDP предоставил важные данные в поддержку гипотезы расширения морского дна и помог доказать теорию тектоники плит. Бурение осуществлялось на судне «Гломар Челленджер». DSDP был первой из трех международных научных программ океанического бурения, которые работали более 40 лет. Научное планирование проводилось под эгидой Объединенных океанографических институтов по глубокому отбору проб земной коры (JOIDES), консультативная группа которой состояла из 250 выдающихся ученых из академических учреждений, государственных органов и частного сектора со всего мира. Программа океанического бурения (ODP) продолжала исследования с 1985 по 2003 год, когда она была заменена Интегрированной программой океанического бурения (IODP). 5 марта 2007 года команда ученых на борту RRS James Cook отправилась в район дна Атлантического океана, где мантия обнажена и не покрыта корой, примерно на полпути между островами Кабо-Верде и Карибским морем. Обнаженный участок расположен примерно в трех километрах под поверхностью океана и занимает тысячи квадратных километров. Относительно сложная попытка извлечь образцы из мантии Земли была запланирована на конец 2007 года. Миссия «Чикью-Хаккен» попыталась использовать японское судно «Чикю» для бурения до глубины под морское дно. Это почти в три раза глубже, чем предыдущие океанические бурения. В 2005 году был предложен новый метод исследования верхних нескольких сотен километров Земли, заключающийся в использовании небольшого, плотного, тепловыделяющего зонда, который расплавляет свой путь сквозь кору и мантию, а его положение и прогресс отслеживаются с помощью акустических сигналов, генерируемых в горных породах. Зонд состоит из внешней сферы из вольфрама диаметром около одного метра с внутренним источником тепла из кобальта-60, действующего как радиоактивный источник. Было рассчитано, что такой зонд достигнет океанического Мохо менее чем за 6 месяцев и достигнет минимальной глубины более чем за несколько десятилетий под океанической и континентальной литосферой. Исследования также могут быть поддержаны компьютерным моделированием эволюции мантии. В 2009 году приложение для суперкомпьютера предоставило новые сведения о распределении минеральных отложений, особенно изотопов железа, со времени формирования мантии 4,5 миллиарда лет назад. В 2023 году JOIDES Resolution извлекла керны, которые, по-видимому, представляли собой горные породы из верхней мантии, после бурения всего в несколько сотен метров в Атлантический массив. Бурение достигло максимальной глубины 1268 метров и извлекло 886 метров образцов горных пород, состоящих в основном из перидотита. Существуют споры о том, насколько точно образцы представляют верхнюю мантию, поскольку некоторые утверждают, что влияние морской воды на образцы относит их к примерам глубокой нижней коры. Однако образцы предлагают гораздо более близкий аналог мантийных пород, чем магматические ксенолиты, поскольку отобранная порода никогда не плавилась в магму и не перекристаллизовывалась.

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.