Верхняя мантия
Земли Верхняя мантия представляет корой собой очень толстый слой горных пород внутри планеты, который начинается прямо под земной ( примерно на глубине 10 км (6,2 мили) под океанами и примерно на 35 км (22 мили) под континентами) и заканчивается у земной поверхности. верхняя часть нижней мантии на высоте 670 км (420 миль). Температуры колеблются от примерно 500 К (227 ° C; 440 ° F) на верхней границе с корой до примерно 1200 К (930 ° C; 1700 ° F) на границе с нижней мантией. Материал верхней мантии, вышедший на поверхность, содержит около 55% оливина , 35% пироксена и от 5 до 10% минералов оксида кальция и оксида алюминия, таких как плагиоклаз , шпинель или гранат , в зависимости от глубины.
Сейсмическая структура
[ редактировать ]
Профиль плотности на Земле определяется скоростью сейсмических волн. Плотность постепенно увеличивается в каждом слое, в основном за счет сжатия породы на увеличенной глубине. Резкие изменения плотности происходят при изменении состава материала. [1]
Верхняя мантия начинается сразу под земной корой и заканчивается на вершине нижней мантии. Верхняя мантия заставляет тектонические плиты двигаться.
Кора и мантия различаются по составу, а литосфера и астеносфера – по изменению механических свойств. [2]
Верхняя часть мантии определяется внезапным увеличением скорости сейсмических волн, которое впервые заметил Андрия Мохоровичич в 1909 году; эта граница теперь называется разрывом Мохоровичича или «Мохо». [3]
Мохо определяет основание коры и варьируется от 10 км (6,2 мили) до 70 км (43 мили) под поверхностью Земли. Океаническая кора тоньше континентальной и обычно имеет толщину менее 10 км (6,2 мили). Толщина континентальной коры составляет около 35 км (22 миль), но толщина большого корня коры под Тибетским нагорьем составляет около 70 км (43 мили). [4]
Толщина верхней мантии составляет около 640 км (400 миль). Толщина всей мантии составляет около 2900 км (1800 миль), что означает, что верхняя мантия составляет лишь около 20% от общей толщины мантии. [4]
Граница между верхней и нижней мантией представляет собой разрыв в 670 км (420 миль). [2] Землетрясения на небольших глубинах возникают в результате сдвиговых нарушений ; однако ниже примерно 50 км (31 мили) жаркие условия высокого давления препятствуют дальнейшей сейсмичности. Мантия вязкая и неспособна к разломам . Однако в зонах субдукции землетрясения наблюдаются на высоте до 670 км (420 миль). [1]
разрыв Лемана
[ редактировать ]Разрыв Лемана представляет собой резкое увеличение скоростей продольных поперечных и волн . на глубине 220 км (140 миль) [5] (Обратите внимание, что это другой «разрыв Лемана», чем разрыв между внутренним и внешним ядрами Земли, отмеченный на изображении справа.)
Переходная зона
[ редактировать ]Переходная зона расположена между верхней и нижней мантией на глубине от 410 км (250 миль) до 670 км (420 миль).
Считается, что это происходит в результате перегруппировки зерен оливина с образованием более плотной кристаллической структуры в результате увеличения давления с увеличением глубины. [6] Ниже глубины 670 км (420 миль) из-за изменений давления минералы рингвудита превращаются в две новые более плотные фазы: бриджманит и периклаз. Это можно увидеть с помощью объемных волн от землетрясений , которые преобразуются, отражаются или преломляются на границе и предсказываются из физики минералов , поскольку фазовые изменения зависят от температуры и плотности и, следовательно, от глубины. [6]
разрыв 410 км
[ редактировать ]Во всех сейсмологических данных виден одиночный пик на высоте 410 км (250 миль), который предсказывается единственным переходом от α- к β-Mg 2 SiO 4 (оливин к вадслеиту ). Ожидается, что со склона Клапейрона этот разрыв будет менее глубоким в холодных регионах, таких как погружающиеся плиты, и глубже в более теплых регионах, таких как мантийные плюмы . [6]
разрыв 670 км
[ редактировать ]Это наиболее сложный разрыв, маркирующий границу между верхней и нижней мантией. В предвестниках ПП он появляется (волна, однократно отражающаяся от разрыва) только в определенных областях, но всегда проявляется в предвестниках SS. [6] Это проявляется как одиночные и двойные отражения в функциях приемника для преобразований P в S в широком диапазоне глубин (640–720 км или 397–447 миль). Наклон Клапейрона предсказывает более глубокую неоднородность в более холодных регионах и меньшую неоднородность в более жарких регионах. [6] Этот разрыв обычно связан с переходом от рингвудита к бриджманиту и периклазу . [7] С термодинамической точки зрения это эндотермическая реакция, вызывающая скачок вязкости. Обе характеристики заставляют этот фазовый переход играть важную роль в геодинамических моделях. [8]
Другие разрывы
[ редактировать ]На высоте 520 км (320 миль) предсказан еще один крупный фазовый переход, связанный с переходом оливина (β в γ) и граната в пиролитовой мантии. [9] Это явление лишь спорадически наблюдалось в сейсмологических данных. [10]
Были предложены и другие неглобальные фазовые переходы на разной глубине. [6] [11]
Температура и давление
[ редактировать ]Температуры колеблются от примерно 500 К (227 ° C; 440 ° F) на верхней границе с корой до примерно 4200 К (3930 ° C; 7 100 ° F) на границе ядро-мантия. [12] Самая высокая температура верхней мантии составляет 1200 К (930 ° C; 1700 ° F). [13] Хотя высокая температура намного превышает температуру плавления мантийных пород на поверхности, мантия почти исключительно твердая. [14]
Огромное литостатическое давление, оказываемое на мантию, препятствует плавлению, поскольку температура, при которой начинается плавление ( солидус ), увеличивается с ростом давления. [15] Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен выдерживать вес всего материала над ним. Считается, что вся мантия в течение длительного времени деформируется как жидкость с постоянной пластической деформацией.
Самое высокое давление верхней мантии - 24,0 ГПа (237 000 атм). [13] по сравнению с нижней частью мантии, которая составляет 136 ГПа (1 340 000 атм). [12] [16]
Оценки вязкости верхней мантии колеблются в пределах 10 19 и 10 24 Па·с , в зависимости от глубины, [17] температура, состав, состояние напряжения и множество других факторов. Верхняя мантия может течь очень медленно. Однако когда к самой верхней мантии прикладывают большие силы, она может стать слабее, и этот эффект считается важным для формирования границ тектонических плит .
Хотя существует тенденция к увеличению вязкости на большей глубине, эта зависимость далека от линейной и демонстрирует слои с резко пониженной вязкостью, в частности в верхней мантии и на границе с ядром. [17]
Движение
[ редактировать ]Из-за разницы температур между поверхностью Земли и внешним ядром, а также способности кристаллических пород при высоких давлениях и температурах подвергаться медленной, ползучей, вязкоподобной деформации в течение миллионов лет, существует конвективная циркуляция вещества. в мантии [3]
Горячий материал поднимается вверх , а более холодный (и более тяжелый) опускается вниз. Движение материала вниз происходит на сходящихся границах плит, называемых зонами субдукции . По прогнозам, места на поверхности, лежащие над шлейфами, будут иметь большую высоту (из-за плавучести более горячего и менее плотного шлейфа внизу) и проявлять в горячих точках вулканическую активность .
Минеральный состав
[ редактировать ]Сейсмических данных недостаточно для определения состава мантии. Наблюдения за горными породами, обнаженными на поверхности, и другие данные показывают, что верхняя мантия состоит из основных минералов оливина и пироксена и имеет плотность около 3,33 г/см. 3 (0,120 фунта на куб. дюйм) [1]
Материал верхней мантии, вышедший на поверхность, содержит около 55% оливина и 35% пироксена, а также от 5 до 10% оксида кальция и оксида алюминия . [1] Верхняя мантия состоит преимущественно из перидотита , состоящего в основном из различных пропорций минералов оливина, клинопироксена , ортопироксена и глиноземистой фазы. [1] Глиноземистая фаза представляет собой плагиоклаз в самой верхней мантии, затем шпинель, а затем гранат ниже примерно 100 километров (62 миль). [1] Постепенно через верхнюю мантию пироксены становятся менее стабильными и превращаются в мэйджоритовый гранат .
Эксперименты на оливинах и пироксенах показывают, что эти минералы меняют структуру по мере увеличения давления на большей глубине, что объясняет, почему кривые плотности не являются идеально гладкими. Когда происходит преобразование в более плотную минеральную структуру, сейсмическая скорость резко возрастает и создает разрыв. [1]
В верхней части переходной зоны оливин претерпевает изохимические фазовые переходы в вадслеит и рингвудит . В отличие от номинально безводного оливина, эти полиморфные модификации оливина высокого давления обладают большой способностью удерживать воду в своей кристаллической структуре. Это привело к гипотезе о том, что в переходной зоне может находиться большое количество воды. [18]
В недрах Земли оливин встречается в верхней мантии на глубинах менее 410 километров (250 миль), а рингвудит предполагается в переходной зоне на глубине от 520 до 670 километров (от 320 до 420 миль). Прерывистость сейсмической активности на глубине около 410 километров (250 миль), 520 километров (320 миль) и 670 километров (420 миль) объясняются фазовыми изменениями с участием оливина и его полиморфов .
В основании переходной зоны рингвудит распадается на бриджманит (ранее называвшийся магниево-силикатным перовскитом) и ферропериклаз . Гранат также становится нестабильным на уровне основания переходной зоны или немного ниже него.
Кимберлиты вырываются из недр земли и иногда несут обломки горных пород. Некоторые из этих ксенолитических фрагментов представляют собой алмазы, которые могут появиться только в результате более высокого давления под земной корой. Породы, которые сопровождают это, представляют собой ультраосновные конкреции и перидотит. [1]
Химический состав
[ редактировать ]Состав, кажется, очень похож на корочку. Единственное отличие состоит в том, что породы и минералы мантии, как правило, содержат больше магния и меньше кремния и алюминия, чем земная кора. Первые четыре наиболее распространенных элемента в верхней мантии — это кислород, магний, кремний и железо.
| Сложный | Массовый процент |
|---|---|
| SiO 2 | 44.71 |
| MgO | 38.73 |
| FeO | 8.18 |
| Al2OAl2O3 | 3.98 |
| Высокий | 3.17 |
| Cr2OCr2O3 | 0.57 |
| Девять | 0.24 |
| MnO | 0.13 |
| Na2Na2O | 0.13 |
| ТиО 2 | 0.13 |
| П 2 О 5 | 0.019 |
| К 2 О | 0.006 |
Разведка
[ редактировать ]
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 из-за неоднократных неудач и перерасхода средств. Наибольшая глубина проникновения составила примерно 180 м (590 футов). В 2005 году океаническая скважина достигла глубины 1416 метров (4646 футов) ниже морского дна с океанского бурового судна JOIDES Резолюция .
5 марта 2007 года группа ученых на борту корабля RRS «Джеймс Кук» отправилась в путешествие к участку морского дна Атлантического океана, где обнажена мантия без коры, на полпути между островами Зеленого Мыса и Карибским морем . Обнаруженный участок находится примерно в 3 километрах (1,9 мили) под поверхностью океана и занимает площадь в тысячи квадратных километров. [21] [22] [23]
Миссия Chikyu Hakken попыталась использовать японское судно Chikyu для бурения на глубине до 7000 м (23 000 футов) ниже морского дна. 27 апреля 2012 года Тикю пробурил скважину на глубину 7740 метров (25 390 футов) ниже уровня моря, установив новый мировой рекорд глубоководного бурения. Этот рекорд с тех пор был побит злополучной мобильной морской буровой установкой Deepwater Horizon , работающей на перспективном месторождении Тайбер на месторождении Миссисипи-Каньон в Мексиканском заливе США, когда она установила мировой рекорд по общей длине вертикальной буровой колонны 10 062 м (33 011 футов). [24] Предыдущий рекорд принадлежал американскому судну Glomar Challenger на глубину 7049,5 метров (23130 футов) ниже уровня моря , которое в 1978 году пробурило Марианскую впадину . [25] 6 сентября 2012 года научное судно глубоководного бурения Chikyū установило новый мировой рекорд, пробурив и получив образцы горных пород на глубине более 2111 метров (6926 футов) ниже морского дна у полуострова Симокита в Японии в северо-западной части Тихого океана.
В 2005 году был предложен новый метод исследования верхних нескольких сотен километров Земли, состоящий из небольшого, плотного, выделяющего тепло зонда, который плавит свой путь сквозь кору и мантию, в то время как его положение и продвижение отслеживаются с помощью акустических сигналов, генерируемых в скалах. [26] Зонд состоит из внешней сферы из вольфрама диаметром около 1 метра (3 фута 3 дюйма), а внутренняя часть из кобальта-60 действует как источник радиоактивного тепла. , потребуется полгода Чтобы достичь океанического Мохо . [27]
Исследованиям также может помочь компьютерное моделирование эволюции мантии. В 2009 году приложение суперкомпьютера позволило по-новому взглянуть на распределение месторождений полезных ископаемых, особенно изотопов железа, начиная с периода развития мантии 4,5 миллиарда лет назад. [28]
В 2023 году JOIDES Solution извлекла ядра того, что выглядело как горная порода, из верхней мантии, пробурив всего несколько сотен метров в массив Атлантиды . Скважина достигла максимальной глубины 1268 метров и извлекла 886 метров образцов горных пород, состоящих в основном из перидотита . Ведутся споры о том, в какой степени эти образцы представляют верхнюю мантию, при этом некоторые утверждают, что воздействие морской воды на образцы делает их примерами глубокой нижней коры. Однако образцы представляют собой гораздо более близкий аналог мантийных пород, чем магматические ксенолиты , поскольку отобранные породы никогда не превращались в магму и не перекристаллизовывались. [29]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Ленгмюр, Чарльз Х.; Брокер, Уолли (22 июля 2012 г.). Как построить обитаемую планету: история Земли от Большого взрыва до человечества . стр. 179–183. ISBN 9780691140063 .
- ^ Перейти обратно: а б Ротери, Дэвид А.; Гилмор, Иэн; Сефтон, Марк А. (март 2018 г.). Введение в астробиологию . п. 56. ИСБН 9781108430838 .
- ^ Перейти обратно: а б Олден, Эндрю (2007). «Мантия сегодняшнего дня: экскурсия» . О сайте.com . Проверено 25 декабря 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Истрия в Интернете – Выдающиеся истрийцы – Андрия Мохоровичич» . 2007 . Проверено 25 декабря 2007 г.
- ^ Уильям Лоури (1997). Основы геофизики . Издательство Кембриджского университета. п. 158. ИСБН 0-521-46728-4 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Фаулер, CMR; Фаулер, Конни Мэй (2005). Твердая Земля: введение в глобальную геофизику . ISBN 978-0521893077 .
- ^ Ито, Э; Такахаши, Э (1989). «Постшпинельные превращения в системе Mg2SiO4-Fe2SiO4 и некоторые геофизические последствия». Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 94 (Б8): 10637–10646. Бибкод : 1989JGR....9410637I . дои : 10.1029/jb094ib08p10637 .
- ^ Фукао, Ю.; Обаяши, М. (2013). «Погруженные плиты застоялись наверху, проникли насквозь и оказались в ловушке ниже 660-километрового разрыва» . Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 118 (11): 5920–5938. Бибкод : 2013JGRB..118.5920F . дои : 10.1002/2013jb010466 . S2CID 129872709 .
- ^ Деусс, Арвен; Вудхаус, Джон (12 октября 2001 г.). «Сейсмические наблюдения за расщеплением разрыва средней переходной зоны в мантии Земли». Наука . 294 (5541): 354–357. Бибкод : 2001Sci...294..354D . дои : 10.1126/science.1063524 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 11598296 . S2CID 28563140 .
- ^ Егоркин, А.В. (1 января 1997). «Доказательства разрыва цепи на 520 км». В Фуксе, Карл (ред.). Неоднородности верхней мантии по данным активной и пассивной сейсмологии . Серия НАТО ASI. Спрингер Нидерланды. стр. 51–61. дои : 10.1007/978-94-015-8979-6_4 . ISBN 9789048149667 .
- ^ Хан, Амир; Дешам, Фредерик (28 апреля 2015 г.). Гетерогенная мантия Земли: геофизическая, геодинамическая и геохимическая перспектива . Спрингер. ISBN 9783319156279 .
- ^ Перейти обратно: а б Лоддерс, Катарина (1998). Спутник планетолога . Фигли, Брюс. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1423759836 . OCLC 65171709 .
- ^ Перейти обратно: а б «Каковы три различия между верхней и нижней мантией?» . Наука . Проверено 14 июня 2019 г.
- ^ Луи, Дж. (1996). «Внутренности Земли» . Университет Невады, Рино. Архивировано из оригинала 20 июля 2011 г. Проверено 24 декабря 2007 г.
- ^ Тюркотт, ДЛ; Шуберт, Г (2002). «4». Геодинамика (2-е изд.). Кембридж, Англия, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр. 136–7 . ISBN 978-0-521-66624-4 .
- ^ Бернс, Роджер Джордж (1993). Минералогические приложения теории кристаллического поля . Издательство Кембриджского университета. п. 354. ИСБН 978-0-521-43077-7 . Проверено 26 декабря 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Уолцер, Уве. «Мантийная вязкость и мощность конвективных нисходящих потоков» . Архивировано из оригинала 11 июня 2007 г.
- ^ Берковичи, Дэвид; Карато, Сюн-итиро (сентябрь 2003 г.). «Целомантийная конвекция и водный фильтр переходной зоны». Природа . 425 (6953): 39–44. Бибкод : 2003Natur.425...39B . дои : 10.1038/nature01918 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 12955133 . S2CID 4428456 .
- ^ Уоркман, Рея К.; Харт, Стэнли Р. (февраль 2005 г.). «Основной и микроэлементный состав обедненной мантии MORB (DMM)». Письма о Земле и планетологии . 231 (1–2): 53–72. Бибкод : 2005E&PSL.231...53W . дои : 10.1016/j.epsl.2004.12.005 . ISSN 0012-821X .
- ^ Андерсон, Д.Л. (2007). Новая теория Земли . Издательство Кембриджского университета. п. 301 . ISBN 9780521849593 .
- ^ Тан, Кер (01 марта 2007 г.). «Ученые изучат трещину на дне Атлантического океана» . Новости Эн-Би-Си . Проверено 16 марта 2008 г.
На следующей неделе группа ученых отправится в путешествие, чтобы изучить «открытую рану» на морском дне Атлантического океана, где глубокие недра Земли обнажены без какой-либо коры.
- ^ «В Средней Атлантике отсутствует земная кора» . Наука Дейли . 02 марта 2007 г. Проверено 16 марта 2008 г.
Ученые Кардиффского университета вскоре (5 марта) отправятся в плавание, чтобы исследовать поразительное открытие в глубинах Атлантики.
- ^ «Япония надеется предсказать «Большого человека» с помощью путешествия к центру Земли» . PhysOrg.com . 15 декабря 2005 г. Архивировано из оригинала 19 декабря 2005 г. Проверено 16 марта 2008 г.
Амбициозный проект под руководством Японии по раскопкам поверхности Земли глубже, чем когда-либо прежде, станет прорывом в обнаружении землетрясений, в том числе страшного «Большого землетрясения» в Токио, заявили официальные лица в четверг.
- ^ «-- Исследуйте рекорды – Книга рекордов Гиннеса» . Архивировано из оригинала 17 октября 2011 г.
- ^ «Японский глубоководный зонд установил мировой рекорд» . Звезда Канзас-Сити . Ассошиэйтед Пресс. 28 апреля 2012 года. Архивировано из оригинала 28 апреля 2012 года . Проверено 28 апреля 2012 г.
- ^ Ойован М.И., Гибб Ф.Г.Ф., Полуэктов П.П., Емец Е.П. 2005. Зондирование внутренних слоев Земли самотонущими капсулами . Атомная энергия, 99, 556–562.
- ^ Оджован М.И., Гибб ФГФ «Исследование земной коры и мантии с использованием самоспускающихся зондов с радиационным нагревом и мониторинга акустической эмиссии». Глава 7. В: Исследования ядерных отходов: размещение, технология и обработка , ISBN 978-1-60456-184-5 , редактор: Арнольд П. Латтефер, Nova Science Publishers, Inc., 2008 г.
- ^ Калифорнийский университет - Дэвис (15 июня 2009 г.). Суперкомпьютер дал первое представление о недрах ранней магмы Земли . ScienceDaily . Проверено 16 июня 2009 г.
- ^ Наконец-то океанские бурильщики извлекли из мантии Земли огромное количество камней (Отчет). 25 мая 2023 г. дои : 10.1126/science.adi9181 .
