Внутреннее строение Земли. Мантия

ВВЕДЕНИЕ

Состав и  строение глубинных оболочек Земли  в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих  проблем современной геологии. Знания о внутреннем строении Земли пока очень поверхностны, так как получены на основании косвенных доказательств. Прямые свидетельства относятся  только к поверхностной пленке планеты, чаще всего не превышающей полутора десятков километров. В целом же о внутреннем строении нашей планеты  мы знаем меньше, чем о ближнем  Космосе, исследуемом с помощью  спутников и космических кораблей.

Вместе с тем изучение внутреннего  строения Земли актуально и жизненно важно. С ним связаны образование  и размещение многих видов полезных ископаемых, рельефа земной поверхности, возникновение вулканов и землетрясений. Знания о внутреннем строении Земли  необходимы и для составления  геологических и географических прогнозов.

 

Целью работы является изучение внутреннего строения, состава Земли и мантии.

 

 Задачи работы:

 

1. Рассмотреть сейсмическую модель строения Земли и современные данные о сейсмических границах, методы изучения внутреннего строения Земли.

 

2. Изучить внутреннее строение Земли и мантии, их состав.

 

 

 3. Рассмотреть связь мантии с процессами внутри Земли.

 

ГЛАВА 1. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Широко  известная модель внутреннего строения земли разработана сейсмологами Джеффрисом и Гутенбергом еще  в первой половине 20 века. Резкое изменение  скорости сейсмических волн на глубинах 60 и 2900 км позволило сделать вывод  о скачкообразном увеличении плотности  вещества Земли и выделить три  ее части – литосферу (верхняя  ее часть – земная кора), мантию и  ядро.

 

Если бы Земля была однородным телом, то сейсмические волны распространялись бы с одинаковой скоростью, прямолинейно и не отражались. 

 

В действительности же скорость волн неодинакова и изменяется скачкообразно. Так, на глубине около 60 км их скорость «неожиданно» увеличивается с 5 до 8 км/с. На отметке 2900 км она возрастет  до 13 км/с, затем вновь падает до 8 км/с. Ближе к центру Земли зафиксировано  возрастание скорости продольных волн до 11 км/с. Поперечные волны глубже 2900 км не проникают. 

 

Поперечные волны проникают  до глубины 4000 км и затухают, что  свидетельствует о том, что ядро Земли неоднородно по плотности  и внешняя его часть «жидкая», а внутренняя представляет собой  твердое тело (рис. 1).

 

Рис. 1. Внутреннее строение Земли [1]

 

Литосфера. Литосфера (от греческого литос – камень и сфера – шар) – верхняя, каменная оболочка твердой Земли, имеющая сферическую форму. Глубина литосферы достигает более 80 км, в нее включают и верхнюю мантию – астеносферу, служащую субстратом, на котором расположена основная часть литосферы. Вещество астеносферы находится в пластическом (переходном между твердыми телами и жидкостью) состоянии. В результате основание литосферы как бы плавает в субстрате верхней мантии.

 

Земная кора. Верхнюю часть литосферы называют земной корой. Внешняя граница земной коры – поверхность ее соприкосновения с гидросферой и атмосферой, нижняя проходит на глубине 8-75 км и называется слоем или разделом Мохоровичича[1]. Установлен в 1909 году хорватским геофизиком и сейсмологом Андреем Мохоровичичем на основании сейсмических данных.

 

Положение земной коры между мантией  и внешними оболочками – атмосферой, гидросферой и биосферой –  обусловливает воздействие на нее  внешних и внутренних сил Земли.

 

Строение земной коры неоднородно (рис. 2). Верхний слой, мощность которого колеблется от 0 до 20 км, сложен осадочными породами – песком, глиной, известняками и др. Это подтверждают данные, полученные при изучении обнажений и керна буровых скважин, а также результаты сейсмических исследований: породы эти рыхлые, скорость прохождения сейсмических волн невелика.

 

Рис. 2. Строение земной коры [1]

 

Ниже, под материками, расположен гранитный слой, сложенный породами, плотность которых соответствует плотности гранита. Скорость прохождения сейсмических волн в этом слое, как и в гранитах, составляет 5,5–6 км/с.

Под океанами гранитный слой отсутствует, а на материках в некоторых  местах он выходит на дневную поверхность.

 

Еще ниже расположен слой, в котором сейсмические волны распространяются со скоростью 6,5 км/с. Эта скорость характерна для базальтов, поэтому, несмотря на то что слой сложен разными породами, его называют базальтовым.

 

Граница между гранитным и базальтовым  слоями называется поверхностью Конрада [2]. Этому разделу соответствует скачок скорости сейсмических волн от 6 до 6,5 км/с.

 

       В зависимости от строения и мощности выделяют два вида коры – материковую и океаническую. Под материками кора содержит все три слоя – осадочный, гранитный и базальтовый. Под океанами гранитный слой во многих местах вообще отсутствует, и базальты покрыты тонким чехлом осадочных пород. В глубоководных частях океана мощность коры не превышает 5–7 км, а ниже залегает верхняя мантия (рис. 3).

Рис. 3 Разделение земной коры на океаническую и материковую [2]

 

      Мантия. Это промежуточная оболочка, расположенная между литосферой и ядром Земли. Нижняя ее граница проходит предположительно на глубине 2900 км. На мантию приходится более половины объема Земли. Вещество мантии находится в перегретом состоянии и испытывает огромное давление вышележащей литосферы. Мантия оказывает большое влияние на процессы, происходящие на Земле. В верхней мантии возникают магматические очаги, образуются руды, алмазы и другие ископаемые. Отсюда же на поверхность Земли поступает внутреннее тепло. Вещество верхней мантии постоянно и активно перемещается, вызывая движение литосферы и земной коры.

 

       Ядро. В ядре различают две части: внешнюю, до глубины 5 тыс. км, и внутреннюю, до центра Земли (рис. 4). Внешнее ядро жидкое, так как через него не проходят поперечные волны, внутреннее – твердое. Вещество ядра, особенно внутреннего, сильно уплотнено и по плотности соответствует металлам, поэтому его и называют металлическим.

 

Рис. 4: Внешнее и внутреннее ядро [3]

 Современные данные о сейсмических границах. Чем больше проводится сейсмологических исследований, тем больше появляется сейсмических границ. Глобальными принято считать границы 410, 520, 670, 2900 км, где увеличение скоростей сейсмических волн особенно заметно. Наряду с ними выделяются промежуточные границы: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км [4]. Дополнительно имеются указания геофизиков на существование границ 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.И. Павленковой в качестве глобальной выделена граница 100, отвечающая нижнему уровню разделения верхней мантии на блоки. Промежуточные границы имеют разное пространственное распространение, что свидетельствует о латеральной изменчивости физических свойств мантии, от которых они и зависят. Глобальные границы представляют иную категорию явлений. Они отвечают глобальным изменениям мантийной среды по радиусу Земли.

Отмеченные глобальные сейсмические границы используются при построении геологических и геодинамических  моделей, в то время как промежуточные  в этом смысле пока внимания почти  не привлекали. Между тем различия в масштабах и интенсивности  их проявления создают эмпирическую основу для гипотез, касающихся явлений  и процессов в глубинах планеты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2. МАНТИЯ

2.1 СОСТАВ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ

Проблема состава, структуры и  минеральных ассоциаций глубинных  земных оболочек или геосфер, конечно, еще далека от окончательного решения, однако новые экспериментальные  результаты и идеи существенно расширяют  и детализируют соответствующие  представления.

Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает  сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4 : 2 : 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al₂SiO₅ (до 10 вес. %). Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии, простирающейся до глубин ~670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO₂) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)₂SiO₄, чем к пироксену (Mg, Fe)SiO₃, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg,Fe)SiO₃ с различными структурными искажениями, магнезиовюстит  (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.

Все предложенные модели весьма обобщенные и гипотетичные. Пиролитовая модель верхней мантии с преобладанием  оливина предполагает ее значительно  большую близость по химическому  составу со всей более глубокой мантией. Наоборот, пиклогитовая модель предполагает существование определенного химического  контраста между верхней и  остальной мантиями. Более частная  эклогитовая модель  допускает  присутствие в верхней мантии отдельных эклогитовых линз и  блоков.

Большой интерес представляет попытка  согласовать структурно-минералогические и геофизические данные, относящиеся  к верхней мантии. Уже около 20 лет допускается, что увеличение скоростей сейсмических волн на глубине ~410 км преимущественно связано со структурной перестройкой оливина a-(Mg, Fe)₂SiO₄ в вадслеит b-(Mg, Fe)₂SiO₄, сопровождающейся образованием более плотной фазы с большими значениями коэффициентов упругости. Согласно геофизическим данным, на таких глубинах в недрах Земли скорости сейсмических волн возрастают на 3-5%, тогда как структурная перестройка оливина в вадслеит (в соответствии со значениями их модулей упругости) должна сопровождаться увеличением скоростей сейсмических волн примерно на 13%. Вместе с тем результаты экспериментальных исследований оливина и смеси оливин-пироксен при высоких температурах и давлениях выявили полное совпадение рассчитанного и экспериментального увеличения скоростей сейсмических волн в интервале глубин 200-400 км. Поскольку оливин обладает примерно такой же упругостью,  как и высокоплотные моноклинные пироксены, эти данные должны были бы указывать на отсутствие в составе нижележащей зоны граната, обладающего высокой упругостью, присутствие которого в мантии неизбежно вызвало бы более значительное увеличение скоростей сейсмических волн. Однако эти представления о безгранатовой мантии вступали в противоречие с петрологическими моделями ее состава.

Так появилась идея о том, что  скачок в скоростях сейсмических волн на глубине 410 км связан в основном со структурной перестройкой пироксен-гранат внутри обогащенных Na частей верхней  мантии. Такая модель предполагает почти полное отсутствие конвекции  в верхней мантии, что противоречит современным геодинамическим представлениям. Преодоление этих противоречий можно  связать с недавно предложенной более полной моделью верхней мантии, допускающей вхождение атомов железа и водорода в структуру вадслеита.

Рис. 5. Изменение объемных пропорций минералов пиролита при возрастании давлений (глубины), по М. Акаоги (1997).

Условные обозначения минералов: Ol - оливин, Gar - гранат, Cpx - моноклинные  пироксены, Opx - ромбические пироксены, MS - "модифицированная шпинель", или вадслеит (b-(Mg, Fe)₂SiO₄), Sp - шпинель, Mj - меджорит Mg₃(Fe, Al, Si)₂(SiO₄)₃, Mw - магнезиовюстит (Mg, Fe)O, Mg-Pv -Mg-перовскит, Cа-Pv-Cа- перовс- кит, X - предпо- лагаемые Al-содер- жащие фазы со структурами типа ильменита, Cа-феррита и/или голландита.

В то время как полиморфный переход  оливина в вадслеит не сопровождается изменением химического состава, в  присутствии граната возникает  реакция, приводящая к образованию  вадслеита, обогащенного Fe по сравнению  с исходным оливином. Более того, вадслеит может содержать значительно  больше по сравнению с оливином атомов водорода. Участие атомов Fe и Н  в структуре вадслеита приводит к уменьшению ее жесткости и соответственно уменьшению скоростей распространения  сейсмических волн, проходящих сквозь этот минерал.

Кроме того, образование обогащенного Fe вадслеита предполагает вовлечение в соответствующую реакцию большего количества оливина, что должно сопровождаться изменением химического состава  пород вблизи раздела 410. Идеи об этих трансформациях подтверждаются современными глобальносейсмическими данными. В  целом минералогический состав этой части верхней мантии представляется более или менее ясным. Если говорить о пиролитовой минеральной ассоциации (табл. 1), то ее преобразование вплоть до глубин ~800 км исследовано достаточно детально и в обобщенном виде представлено на рис. 2. При этом глобальной сейсмической границе на глубине 520 км соответствует  перестройка вадслеита b-(Mg, Fe)₂SiO₄ в рингвудит - g-модификацию (Mg, Fe)₂SiO₄ со структурой шпинели. Трансформация пироксен (Mg, Fe)SiO₃ гранат Mg₃ (Fe, Al, Si)₂ Si₃O₁₂ осуществляется в верхней мантии в более широком интервале глубин. Таким образом, вся относительно гомогенная оболочка в интервале 400-600 км верхней мантии в основном содержит фазы со структурными типами граната и шпинели.