IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Мантия Земли – одна из внутренних сферических оболочек, распространяющаяся ниже земной коры до глубин 2900 км.

Верхняя мантия – геосфера, расположенная между земной корой и нижней мантией Земли, с наибольшей долей вероятности сложена ультраосновными породами, обогащенными Fe и Мg, но в тоже время обеденными кремнеземом (рис. 1).

Рисунок 1 – Внутреннее строение Земли

Верхняя мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о составе пород мантии судят по обломкам, выносимым кимберлитовой магмой с глубины, где наряду с перидотитами содержащими гранат, шпинель, алмазы, встречаются включения высоко метаморфизованных пород — эклогитов.

Эклогиты близки по составу основной глубинной породе — габбро, но отличаются от нее большей плотностью, что говорит о том, что они были сформированы на большой глубине при больших давлениях (глубина до 150–200 км — глубина зарождения алмазов).

Анализируя средний состав пород верхней мантии ученые пришли к выводу о том, что она состоит главным образом из перидотита с гранатом. Такие породы называют пиролитом (по корням породообразующих эту породу минералам — пироксена и оливина) или пироксеново – оливиновой. Эта порода по предположениям ученых должна распространяться до глубины 350—400 км. Ее состав: 57% оливина, 17% ортопироксена, 12% клинопироксена, 14% граната.

Верхняя мантия расположена между подошвой земной коры (поверхность М) и границей раздела на глубине 670 км. На глубине 410 км верхняя мантия, согласно представлениям Ю.М.Пущаровского, разделена на верхнюю и нижнюю части. Верхняя часть в традиционных моделях мантии соответствует всему объёму верхней мантии. В свою очередь она состоит из двух основных слоёв. Верхний слой (субстрат по Е.Люстиху) совместно с земной корой образует литосферу. Эта жёсткая оболочка, характеризующаяся высокой прочностью и упругими свойствами, залегает на ослабленном, пластичном астеносферном слое. Надастеносферный слой мантии имеет преимущественно перидотит-эклогитовый состав, плотность до 3,3 г/м 3 и скорости распространения сейсмических волн 7,9 ÷ 8,4 км/с. В связи с этим его иногда называют перидотитовым слоем.

Подошва литосферы определяется положением температурной поверхности солидуса мантийного вещества (порядка 1300°С). Под материками подошва литосферы залегает на глубинах от 150 ÷ 200 км под молодыми платформами до 250 ÷ 350 км под щитами древних платформ, тогда как под океанами от 7 ÷ 10 км под гребнями срединно-океанических хребтов до 30 ÷ 90 км под абиссальными участками дна.

Такое существенное различие в мощностях континентальной и океанической литосферы объясняется более древним возрастом первой.

Согласно представлениям О.Г.Сорохтина, подкоровые части литосферы образуются за счёт охлаждения и полной кристаллизации горячего мантийного вещества.

Литосфера расположена на астеносфере - важнейшей оболочке верхней мантии. На существование последней было указано американским геологом Дж.Баррелом ещё в 1914 г. В 1926 г. Б.Гутенберг отметил первые её геофизические признаки в виде снижения скорости распространения упругих волн. Судя по скорости восстановления изостатического равновесия Скандинавского полуострова, нарушенного образованием покровного ледника в четвертичный ледниковый период, вязкость вещества астеносферы составляет порядка 1020 ÷ 5·1020 П (пуаз), что на 2 - 3 порядка ниже, чем в выше- и нижележащих областях мантии (для сравнения, вязкость воды составляет 10-2 П, асфальта - 1010 ÷ 1012 П, стекла - 1013 П, стали -1018 ÷ 10 20 П) [1].

Положение кровли и подошвы астеносферы будет определяться пересечением кривой изменений температуры мантии с кривой изменения температуры солидуса мантийного вещества. В пределах астеносферы происходит частичное расплавление базальтовых составляющих. Базальтовые жидкости заполняют межгранулярные пространства между более тугоплавкими кристаллами перидотита, образующими упругий каркас ослабленного слоя. О частичном расплавлении вещества астеносферы свидетельствует также резкое возрастание в её пределах электропроводности, получаемое по данным магнитотеллурического зондирования.

Экспериментальные исследования показывают, что при частичном плавлении ультраосновных пород при давлении 10³ МПа первые порции базальтового расплава возникают в местах тройных сочленений зерен породы и образуют взаимосвязанную систему каналов при сохранении скелета (матрицы) породы. На этом основании А.В.Каракин и Л.И.Лобковский выдвигают и расчётами обосновывают положение о слоистой структуре астеносферы. По их данным, мощность двухфазового слоя с сообщающимися порами не может превышать некоторой предельной величины, при достижении которой у кровли слоя происходит гидроразрыв скелета породы поровым давлением каверн, заполненных расплавом. Выше поверхности гидроразрыва могут существовать лишь изолированные магматические камеры в однофазной среде. Ещё выше может вновь появиться слой двухфазной среды с сообщающимися порами и т.д. Таким образом, астеносфера может иметь слоистое строение с чередованием двухфазных и квазиоднофазных слоёв. В двухфазных слоях может происходить вертикальная фильтрация магмы. В кровле слоёв расплав локализуется в каверны, соединяющиеся в систему горизонтальных каналов.

Допускается существенно горизонтальная миграция магмы. При этом она может скапливаться в зонах глубинных разломов, в случае если они проникают в астеносферу и создают в её пределах области пониженного давления. Таким механизмом можно объяснить, в частности, образование вулканических очагов, питающихся из астеносферы.

Идея слоистого строения астеносферы находит подтверждение в сейсмических материалах. Так, в переходной зоне Азиатского материка к Тихому океану, по данным Р.З.Тараканова и Н.В.Левого, выделяются четыре обособленных астеносферных слоя на глубинах 65 ÷ 90, 120 ÷ 160, 230 ÷ 300 и 370 ÷ 430 км.

В последние годы были получены дополнительные доказательства слоистого строения астеносферы. Изучение сейсмических явлений при подземных ядерных взрывах, проведённых в российском Центре ГЕОН, показало, что в верхней мантии территории России (районы Западной и Центральной Сибири) фиксируется, по крайней мере, три слоя с пониженной скоростью сейсмических волн на глубинах 75 ÷ 115 км, 140 ÷ 170 км и 200 ÷ 260 км. Учёные Центра объясняют это явление химической зональностью верхней мантии. По их мнению, слои с пониженной скоростью сложены пиролитом (т.е. исходным веществом мантии), а слои с повышенной скоростью - тугоплавкими компонентами (дунит, перидотит), которые выделялись в результате частичного плавления пиролита [2].

Нижняя часть верхней мантии в интервале глубин 410 ÷ 670 км проходит под тремя наименованиями: слой Голицына, средняя мантия, переходная зона между верхней и нижней мантией. Согласно представлениям Ю.М.Пущаровского, эту оболочку мощностью порядка 260 км следует рассматривать как нижнюю составную часть верхней мантии. Она характеризуется сильным возрастанием скорости сейсмических волн с глубиной, по-видимому, большинство исследователей предполагают, что в верхней мантии идёт тепловая конвекция, вертикальные потоки горячего вещества поднимаются в астеносферу, растекаются там и, охлаждаясь, опускаются. Согласно другой гипотезе, сквозь верхнюю мантию поднимаются в астеносферу и далее в земную кору горячие лёгкие массы, выделяющиеся при гравитационной дифференциации, идущей в нижней мантии [2]. Верхняя мантия играет важную роль в тектонических, магматические и метаморфических процессах, происходящих в земной коре, образовании полезных ископаемых.

Литература:

1. Гаврилов В.П. Геотектоника: учебник для вузов. – М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти газа им. И.М.Губкина, 2005. – 368с.

2. Пущаровский Д.Ю., Пущаровский Ю.М. Состав и строение мантии Земли / Соросовский образовательный журнал №11, 1998. – 111-119 с.

3. Рингвуд А. Е. Состав и петрология мантии Земли. - Пер. с англ. М., Недра, 1981. 584 с. - Пер. изд.: США, 1975.

Код для цитирования: Скопировать