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%.

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. 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. 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

· Белоусов В.В., Павленкова Н.И. Типы земной коры// Геотектоника. 1985. N 1.

· Беляевский Н.А. Строение земной коры континентов по геолого-геофизическим данным. М" 1981.

· Павленкова Н.И. Глубинные неоднородности Земли// Природа. 1983. N 12.

· Хаин В.Е., Михайлов А.Е. Общая геотектоника. М., 1985.

Часть II.