Земна мантия. Горна мантия на Земята: състав, температура, интересни факти. Течно състояние и вода

Д.Ю. Пущаровски, Ю.М. Пущаровски (Московски държавен университет на името на М. В. Ломоносов)

Съставът и структурата на дълбоките черупки на Земята през последните десетилетия продължават да бъдат един от най-интригуващите проблеми на съвременната геология. Броят на преките данни по въпроса за дълбоките зони е много ограничен. В това отношение особено място заема минерален агрегат от кимберлитовата тръба на Лесото (Южна Африка), който се счита за представител на мантийните скали, намиращи се на дълбочина ~250 km. Ядрото, извлечено от най-дълбокия кладенец в света, пробит на полуостров Кола и достигащ 12 262 m, значително разшири научното разбиране за дълбоките хоризонти на земната кора - тънък близък до повърхността филм на земното кълбо. В същото време най-новите данни от геофизиката и експериментите, свързани с изучаването на структурните трансформации на минералите, вече позволяват да се моделират много характеристики на структурата, състава и процесите, протичащи в дълбините на Земята, познаването на които допринася за решаването на такива ключови проблеми на съвременната естествена наука като формирането и еволюцията на планетата, динамиката на земната кора и мантията, източниците на минерални ресурси, оценката на риска от погребване на опасни отпадъци на големи дълбочини, енергийните ресурси на Земята и др.

Сеизмичен модел на структурата на Земята

Широко известният модел на вътрешната структура на Земята (разделянето й на ядро, мантия и земна кора) е разработен от сеизмолозите Г. Джефрис и Б. Гутенберг през първата половина на 20 век. Решаващ фактор за това беше откриването на рязко намаляване на скоростта на преминаване на сеизмичните вълни вътре в земното кълбо на дълбочина 2900 km с радиус на планетата 6371 km. Скоростта на разпространение на надлъжните сеизмични вълни непосредствено над посочената граница е 13,6 km/s, а под нея - 8,1 km/s. Това е, което е граница мантия-ядро.

Съответно радиусът на ядрото е 3471 km. Горната граница на мантията е сеизмичният участък на Мохорович ( Мохо, M), идентифициран от югославския сеизмолог А. Мохоровичич (1857-1936) през 1909 г. Той разделя земната кора от мантията. На тази граница скоростите на надлъжните вълни, преминали през земната кора, рязко нарастват от 6,7-7,6 до 7,9-8,2 km/s, но това се случва на различни нива на дълбочина. Под континентите дълбочината на участъка М (т.е. подметките на земната кора) е няколко десетки километра, а под някои планински структури (Памир, Андите) може да достигне 60 км, докато под океанските басейни, включително водния стълб, дълбочината е само 10-12 км. Като цяло земната кора в тази схема изглежда като тънка обвивка, докато мантията се простира в дълбочина до 45% от радиуса на земята.

Но в средата на 20-ти век в науката навлязоха идеи за по-дробна дълбока структура на Земята. Въз основа на нови сеизмологични данни се оказа възможно ядрото да се раздели на вътрешно и външно, а мантията на долна и горна (фиг. 1). Този популярен модел се използва и днес. Началото му е поставено от австралийския сеизмолог К.Е. Булън, който в началото на 40-те години предлага схема за разделяне на Земята на зони, които той обозначава с букви: А - земната кора, Б - зона в дълбочинния интервал от 33-413 km, C - зона от 413- 984 km, D - зона от 984-2898 km, D - 2898-4982 km, F - 4982-5121 km, G - 5121-6371 km (център на Земята). Тези зони се различават по сеизмични характеристики. По-късно той разделя зона D на зони D "(984-2700 км) и D" (2700-2900 км). Понастоящем тази схема е значително модифицирана и само D "слоят се използва широко в литературата. Основната му характеристика е намаляване на градиентите на сеизмичната скорост в сравнение с надлежащата област на мантията.

Ориз. 1. Диаграма на дълбинната структура на Земята

Колкото повече сеизмологични изследвания се извършват, толкова повече сеизмични граници се появяват. Глобалните граници се считат за 410, 520, 670, 2900 км, където нарастването на скоростите на сеизмичните вълни е особено забележимо. Наред с тях се разграничават междинни граници: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км. Освен това има указания на геофизиците за съществуването на граници 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 km. Н.И. Павленкова наскоро посочи граница 100 като глобална, която съответства на долното ниво на разделяне на горната мантия на блокове. Междинните граници имат различно пространствено разпределение, което показва страничната променливост на физическите свойства на мантията, от които те зависят. Глобалните граници представляват различна категория явления. Те съответстват на глобалните промени в околната среда на мантията по радиуса на Земята.

Маркираните глобални сеизмични граници се използват при изграждането на геоложки и геодинамични модели, докато междинните в този смисъл досега почти не са привличали внимание. Междувременно разликите в мащаба и интензивността на техните прояви създават емпирична основа за хипотези относно явления и процеси в дълбините на планетата.

По-долу ще разгледаме как геофизичните граници корелират с последните резултати от структурни промени в минералите под въздействието на високи налягания и температури, чиито стойности съответстват на условията на земните дълбини.

Проблемът за състава, структурата и минералните асоциации на дълбоки земни черупки или геосфери, разбира се, все още е далеч от окончателното решение, но новите експериментални резултати и идеи значително разширяват и детайлизират съответните идеи.

Според съвременните възгледи съставът на мантията е доминиран от относително малка група химически елементи: Si, Mg, Fe, Al, Ca и O. Препоръчва се модели на геосферния съставсе основават предимно на разликата в съотношенията на тези елементи (вариации Mg / (Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe) / Si = 1,2Р1,9), както и разликите в съдържанието на Al и някои други по-редки елементи за дълбоки скали. В съответствие с химичния и минералогичен състав тези модели са получили имената си: пиролитичен(основните минерали са оливин, пироксени и гранат в съотношение 4:2:1), пилогитик(основните минерали са пироксен и гранат, докато делът на оливин намалява до 40%) и еклогит, който заедно с асоциацията пироксен-гранат, характерна за еклогитите, съдържа и някои по-редки минерали, по-специално Al-съдържащ кианит Al2SiO5 (нагоре до 10 тегл. %). Всички тези петрологични модели обаче се отнасят предимно за скали на горната мантияпростираща се до дълбочини от ~670 km. По отношение на обемния състав на по-дълбоките геосфери се приема само, че съотношението на оксиди на двувалентни елементи (MO) към силициев диоксид (MO/SiO2) ~ 2, което е по-близо до оливин (Mg, Fe)2SiO4, отколкото до пироксен (Mg , Fe)SiO3 и минералите са доминирани от перовскитни фази (Mg, Fe)SiO3 с различни структурни изкривявания, магнезиуустит (Mg, Fe)O със структура от типа на NaCl и някои други фази в много по-малки количества.

Всички предложени модели са много обобщени и хипотетични. Пиролитният модел на доминираната от оливин горна мантия предполага, че нейният химически състав е много по-близък до този на цялата по-дълбока мантия. Напротив, пилогитният модел предполага съществуването на определен химичен контраст между горната и останалата част на мантията. По-специален екологичен модел позволява наличието на отделни екологични лещи и блокове в горната мантия.

Голям интерес представлява опитът за хармонизиране на структурно-минераложките и геофизичните данни, свързани с горната мантия. Предполага се от около 20 години, че увеличаването на скоростите на сеизмичните вълни на дълбочина от ~410 km е свързано главно със структурното пренареждане на оливин a-(Mg, Fe)2SiO4 в вадслиит b-(Mg, Fe)2SiO4, придружен от образуването на по-плътна фаза с големи стойности на коефициентите на еластичност. Според геофизичните данни на такива дълбочини във вътрешността на Земята скоростта на сеизмичните вълни се увеличава с 3–5%, докато структурното пренареждане на оливина в вадслиит (в съответствие със стойностите на техните модули на еластичност) трябва да бъде придружено от увеличение в скоростите на сеизмичните вълни с около 13%. В същото време резултатите от експерименталните изследвания на оливин и оливин-пироксенова смес при високи температури и налягания показаха пълно съответствие между изчисленото и експерименталното увеличение на скоростта на сеизмичните вълни в интервала на дълбочина 200-400 km. Тъй като оливинът има приблизително същата еластичност като моноклинните пироксени с висока плътност, тези данни трябва да показват липсата на силно еластичен гранат в подлежащата зона, присъствието на който в мантията неизбежно би причинило по-значително увеличение на скоростите на сеизмичните вълни. Тези идеи за безгранатовата мантия обаче влязоха в конфликт с петрологичните модели на нейния състав.

Таблица 1. Минерален състав на пиролит (според L. Liu, 1979)

По този начин възникна идеята, че скокът в скоростите на сеизмичните вълни на дълбочина 410 km е свързан главно със структурното пренареждане на пироксенови гранати вътре в обогатени с Na части на горната мантия. Този модел предполага почти пълно отсъствиеконвекция в горната мантия, което противоречи на съвременните геодинамични концепции. Преодоляването на тези противоречия може да се свърже с наскоро предложения по-пълен модел на горната мантия, който позволява включването на железни и водородни атоми в структурата на wadsleyite.

Ориз. 2. Промяна в обемните пропорции на пиролитните минерали с увеличаване на налягането (дълбочина), според М. Акаоги (1997). Символи на минерали: Ol - оливин, Gar - гранат, Cpx - моноклинни пироксени, Opx - ромбични пироксени, MS - "модифициран шпинел", или вадслиит (b-(Mg, Fe)2SiO4), Sp - шпинел, Mj - мейорит Mg3 (Fe, Al, Si)2(SiO4)3, Mw - магнезиовустит (Mg, Fe)O, Mg-Pv -Mg-перовскит, Ca-Pv-Ca-перовскит, X - предполагаеми фази, съдържащи Al, със структури като илменит , Ca-ферит и/или холандит

Докато полиморфният преход на оливин към вадслейит не е придружен от промяна в химичния състав, в присъствието на гранат протича реакция, която води до образуването на вадслейит, обогатен с Fe в сравнение с първоначалния оливин. Освен това вадслиитът може да съдържа значително повече водородни атоми от оливина. Участието на Fe и H атоми в структурата на wadsleyite води до намаляване на неговата твърдост и съответно до намаляване на скоростите на разпространение на сеизмичните вълни, преминаващи през този минерал.

В допълнение, образуването на обогатен с Fe вадслейит предполага участието на по-голямо количество оливин в съответната реакция, която трябва да бъде придружена от промяна в химичния състав на скалите близо до раздел 410. Идеите за тези трансформации се потвърждават от съвременните глобални сеизмични данни. Като цяло минералогичният състав на тази част от горната мантия изглежда повече или по-малко ясен. Ако говорим за пиролитична минерална асоциация (Таблица 1), тогава нейната трансформация до дълбочини от ~ 800 km е проучена достатъчно подробно и е обобщена на Фиг. 1. 2. В този случай глобалната сеизмична граница на дълбочина 520 km съответства на прегрупирането на вадслиит b-(Mg, Fe)2SiO4 в рингвудит - g-модификация на (Mg, Fe)2SiO4 със структура на шпинел. Трансформацията на пироксен (Mg, Fe)SiO3 гранат Mg3(Fe, Al, Si)2Si3O12 се случва в горната мантия в по-широк диапазон на дълбочина. По този начин цялата относително хомогенна обвивка в интервала от 400-600 km на горната мантия съдържа главно фази със структурни типове гранат и шпинел.

Всички предложени към момента модели за състава на мантийните скали допускат съдържание на Al2O3 в тях в количество ~4 wt. %, което се отразява и на спецификата на структурните трансформации. В същото време се отбелязва, че в някои области на горната мантия с хетерогенен състав Al може да се концентрира в такива минерали като корунд Al2O3 или кианит Al2SiO5, които при налягания и температури, съответстващи на дълбочини от ~450 km, се трансформират в корунд и стишовит - модификация на SiO2, структурата на която съдържа рамка от SiO6 октаедри. И двата минерала са запазени не само в долната мантия, но и по-дълбоко.

Най-важният компонент на химичния състав на зоната 400-670 км е водата, чието съдържание според някои оценки е ~0,1 тегл. % и чието присъствие се свързва предимно с Mg-силикати. Количеството вода, съхранявана в тази черупка, е толкова значително, че на повърхността на Земята тя би образувала слой с дебелина 800 m.

Състав на мантията под границата от 670 км

Изследванията на структурните преходи на минерали, проведени през последните две или три десетилетия с помощта на рентгенови камери с високо налягане, позволиха да се моделират някои характеристики на състава и структурата на геосферите по-дълбоко от границата на 670 km. При тези експерименти изследваният кристал се поставя между две диамантени пирамиди (наковални), при компресиране се създават налягания, които са съизмерими с наляганията вътре в мантията и земното ядро. Въпреки това все още има много въпроси относно тази част от мантията, която представлява повече от половината от цялата вътрешност на Земята. Понастоящем повечето изследователи са съгласни с идеята, че цялата тази дълбока (по-ниска в традиционния смисъл) мантия се състои главно от перовскитоподобна фаза (Mg,Fe)SiO3, която представлява около 70% от нейния обем (40% от обема на цялата Земя).) и магнезиовиустит (Mg, Fe)O (~20%). Останалите 10% са стишовитни и оксидни фази, съдържащи Ca, Na, K, Al и Fe, чиято кристализация е разрешена в структурните типове илменит-корунд (твърд разтвор (Mg, Fe)SiO3-Al2O3), кубичен перовскит ( CaSiO3) и Ca-ферит (NaAlSiO4). Образуването на тези съединения е свързано с различни структурни трансформации минерали от горната мантия. В същото време една от основните минерални фази на относително хомогенна обвивка, разположена в интервала на дълбочина от 410–670 km, шпинелиден рингвудит, се трансформира в асоциация на (Mg, Fe)-перовскит и Mg-wustite на граница от 670 km, където налягането е ~24 GPa. Друг важен компонент на преходната зона, член на семейството на гранатите, пиропът Mg3Al2Si3O12, претърпява трансформация с образуването на орторомбичен перовскит (Mg, Fe)SiO3 и твърд разтвор на корунд-илменит (Mg, Fe)SiO3 - Al2O3 при малко по-високо налягане. Този преход е свързан с промяна в скоростите на сеизмичните вълни на границата на 850-900 км, съответстваща на една от междинните сеизмични граници. Трансформацията на андрадит Ca-гранат при по-ниски налягания от ~21 GPa води до образуването на друг важен компонент на долната мантия, споменат по-горе, кубичен Ca-перовскит CaSiO3. Полярното съотношение между основните минерали на тази зона (Mg,Fe) - перовскит (Mg,Fe)SiO3 и Mg-вюстит (Mg, Fe)O варира в доста широк диапазон и на дълбочина ~1170 km при налягане от ~29 GPa и температури от 2000- 2800 0C се променя от 2:1 до 3:1.

Изключителната стабилност на MgSiO3 с ромбична перовскитна структура в широк диапазон от налягания, съответстващи на дълбочините на долната мантия, ни позволява да го считаме за един от основните компоненти на тази геосфера. Основа за това заключение са експериментите, по време на които проби от Mg-перовскит MgSiO3 са подложени на налягане, 1,3 милиона пъти по-високо от атмосферното, като едновременно с това върху пробата, поставена между диамант, е приложен лазерен лъч с температура около 2000 0C. наковални.

По този начин бяха моделирани условията, които съществуват на дълбочини от ~ 2800 km, тоест близо до долната граница на долната мантия. Оказало се, че нито по време на експеримента, нито след него минералът е променил структурата и състава си. Така L. Liu, както и E. Nittle и E. Zhanloz стигнаха до извода, че стабилността на Mg-перовскита ни позволява да го считаме за най-разпространения минерал на Земята, съставляващ, очевидно, почти половината от неговата маса.

FexO wustite е не по-малко стабилен, чийто състав при условията на долната мантия се характеризира със стойността на стехиометричния коефициент x< 0,98, что означает одновременное присутствие в его составе Fe2+ и Fe3+. При этом, согласно экспериментальным данным, температура плавления вюстита на границе нижней мантии и слоя D", по данным Р. Болера (1996), оценивается в ~5000 K, что намного выше 3800 0С, предполагаемой для этого уровня (при средних температурах мантии ~2500 0С в основании нижней мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300 0С). Таким образом, вюстит должен сохраниться на этом рубеже в твердом состоянии, а признание фазового контраста между твердой нижней мантией и жидким внешним ядром требует более гибкого подхода и уж во всяком случае не означает четко очерченной границы между ними.

Трябва да се отбележи, че перовскитоподобните фази, преобладаващи на големи дълбочини, могат да съдържат много ограничено количество Fe, а повишените концентрации на Fe сред минералите на дълбоката асоциация са характерни само за магнезиовустит. В същото време, за магнезиовустит, възможността за преминаване под въздействието на високи налягания на част от съдържащото се в него двувалентно желязо в тривалентно желязо, което остава в структурата на минерала, с едновременното освобождаване на съответното количество на неутрално желязо, е доказано. Въз основа на тези данни Х. Мао, П. Бел и Т. Яги, служители на геофизичната лаборатория на Института Карнеги, излагат нови идеи за диференциацията на материята в дълбините на Земята. На първия етап, поради гравитационната нестабилност, магнезиевуститът потъва на дълбочина, където под въздействието на налягането част от желязото в неутрална форма се освобождава от него. Остатъчният магнезиовустит, който се характеризира с по-ниска плътност, се издига до горните слоеве, където отново се смесва с перовскитоподобни фази. Контактът с тях е придружен от възстановяване на стехиометрията (т.е. цялостното съотношение на елементите в химичната формула) на магнезиовустита и води до възможността за повторение на описания процес. Новите данни позволяват донякъде да се разшири наборът от химически елементи, вероятни за дълбоката мантия. Например, стабилността на магнезита при налягания, съответстващи на дълбочини от ~900 km, обоснована от N. Ross (1997), показва възможно присъствиевъглерод в състава си.

Идентифицирането на отделни междинни сеизмични граници, разположени под линията 670, корелира с данни за структурни трансформации минерали на мантията, които могат да приемат голямо разнообразие от форми. Илюстрация на промяната в много свойства на различни кристали при високи стойности на физикохимичните параметри, съответстващи на дълбоката мантия, може да бъде, според R. Jeanlose и R. Hazen, преструктурирането на йонно-ковалентните връзки на wuestite, записани по време на експерименти при налягания от 70 гигапаскала (GPa) (~1700 km).във връзка с металния тип междуатомни взаимодействия. Крайъгълният камък 1200 може да съответства на пренареждането на SiO2 със структурата на стишовит в структурния тип CaCl2 (ромбичен аналог на рутил TiO2), а 2000 km на последващото му превръщане във фаза със структура, междинна между a-PbO2 и ZrO2, характеризираща се с по-плътна опаковка от силициево-кислородни октаедри (данни от L.S. Dubrovinsky et al.). Също така, започвайки от тези дълбочини (~ 2000 km), при налягания от 80–90 GPa се допуска разлагане на перовскитоподобен MgSiO3, придружено от увеличаване на съдържанието на периклаз MgO и свободен силициев диоксид. При малко по-високо налягане (~96 GPa) и температура от 800 0C се установява проява на политипия в FeO, свързана с образуването на структурни фрагменти от типа на никелин NiAs, редуващи се с антиникелови домени, в които Fe атоми са разположени в позициите на атомите As, а атомите O - в позициите на атомите Ni. В близост до D" границата се извършва трансформацията на Al2O3 с корундова структура във фаза със структура на Rh2O3, която е експериментално моделирана при налягания ~100 GPa, т.е. на дълбочина ~2200–2300 km. "Преходът от високоспиново (HS) в нискоспиново състояние (LS) на Fe атоми в структурата на магнезио-вюстит, т.е. промяна в тяхната електронна структура. В това отношение трябва да се подчертае, че структурата на wuestite FeO при високо налягане се характеризира с композиционна нестехиометрия, дефекти на атомно опаковане, политип и промяна в магнитното подреждане, свързана с промяна в електронната структура (HS => LS - преход ) на Fe атоми. Отбелязаните особености ни позволяват да разглеждаме вюстита като един от най-сложните минерали с необичайни свойства, които определят спецификата на дълбоките зони на Земята, обогатени с него в близост до границата D.

Ориз. 3. Тетрагонална структура на Fe7S-възможен компонент на вътрешното (твърдо) ядро, според D.M. Шърман (1997)

Сеизмологичните измервания показват, че както вътрешното (твърдо), така и външното (течно) ядро ​​на Земята се характеризират с по-ниска плътност в сравнение със стойността, получена на базата на модел на ядрото, състоящ се само от метално желязо със същите физикохимични параметри. Повечето изследователи отдават това намаляване на плътността на присъствието в сърцевината на елементи като Si, O, S и дори O, които образуват сплави с желязо. Сред фазите, които са вероятни за такива "фаустовски" физикохимични условия (налягане ~250 GPa и температури 4000-6500 0С), Fe3S с добре известния структурен тип Cu3Au и Fe7S, чиято структура е показана на фиг. 3. Друга фаза, за която се предполага, че е в ядрото, е b-Fe, чиято структура се характеризира с четирислойно плътно опаковане на Fe атоми. Температурата на топене на тази фаза се оценява на 5000 0C при налягане от 360 GPa. Наличието на водород в ядрото е спорно от дълго време поради ниската му разтворимост в желязо при атмосферно налягане. Въпреки това, скорошни експерименти (данни от J. Badding, H. Mao и R. Hamley (1992)) позволиха да се установи, че железен хидрид FeH може да се образува при високи температури и налягания и е стабилен при налягания над 62 GPa, което съответства на дълбочини от ~1600 km. В тази връзка наличието на значителни количества (до 40 mol.%) водородв ядрото е доста приемливо и намалява плътността му до стойности, съответстващи на сеизмологичните данни.

Може да се прогнозира, че новите данни за структурните промени в минералните фази на големи дълбочини ще позволят да се намери адекватна интерпретация на други важни геофизични граници, фиксирани в недрата на Земята. Общото заключение е, че при такива глобални сеизмични граници като 410 и 670 km има значителни промени в минералния състав. мантийни скали. Минерални трансформации се отбелязват и на дълбочини ~850, 1200, 1700, 2000 и 2200-2300 km, т.е. в долната мантия. Това е много важно обстоятелство, което позволява да се изостави идеята за неговата хомогенна структура.

До 80-те години на 20-ти век сеизмологичните изследвания, използващи методите на надлъжни и напречни сеизмични вълни, способни да проникнат през целия обем на Земята и поради това се наричат ​​обемни, за разлика от повърхностните, които се разпространяват само върху нейната повърхност, се оказаха толкова значими, че направиха възможно съставянето на карти на сеизмичните аномалии за различни нива на планетата. Фундаменталната работа в тази област е извършена от американския сеизмолог А. Дзевонски и неговите колеги.

На фиг. 4 показва образци на подобни карти от поредица, публикувана през 1994 г., въпреки че първите публикации се появяват 10 години по-рано. Документът представя 12 карти за дълбоки участъци на Земята в диапазона от 50 до 2850 км, т.е. почти покриващи цялата мантия. На тези най-интересни карти е лесно да се види, че сеизмичният модел е различен на различни нива на дълбочина. Това се вижда от площите и контурите на разпространение. сеизмични аномални зони, особеностите на преходите между тях и като цяло общия вид на картите. Някои от тях се отличават с голямо разнообразие и контраст в разпределението на зоните с различни скорости на сеизмичните вълни (фиг. 5), а други показват по-плавни и прости връзки между тях.

През същата 1994 г. е публикувана подобна работа на японски геофизици. Съдържа 14 карти за нива от 78 до 2900 км. И на двете серии от карти ясно се вижда тихоокеанската хетерогенност, която, въпреки че променя очертанията си, може да бъде проследена чак до земното ядро. Отвъд тази голяма нехомогенност, сеизмичният модел става по-сложен, променяйки се значително при преминаване от едно ниво на друго. Но колкото и значителна да е разликата между тези карти, между някои от тях има прилики. Те се изразяват в известно сходство в разположението на положителните и отрицателните сеизмични аномалии в пространството и в крайна сметка в общите характеристики на дълбинната сеизмична структура. Това прави възможно групирането на такива карти, което прави възможно разграничаването на интрамантийните черупки с различни сеизмични модели. И тази работа е свършена. Въз основа на анализа на картите от японски геофизици се оказа възможно да се предложи много по-дробна структурата на земната мантияпоказано на фиг. 5 в сравнение с конвенционалния модел земна обвивка.

Има две принципно нови разпоредби:

Как предложените граници на дълбоките геосфери корелират със сеизмичните граници, изолирани преди това от сеизмолозите? Сравнението показва, че долната граница на средната мантия корелира с границата от 1700 г., чието глобално значение е подчертано в работата. Горната му граница приблизително съответства на линиите от 800-900. Що се отнася до горната мантия, тук няма разминавания: нейната долна граница е представена от границата 670, а горната от границата на Мохоровичич. Нека обърнем специално внимание на неопределеността на горната граница на долната мантия. В хода на по-нататъшни проучвания може да се окаже, че наскоро очертаните сеизмични граници от 1900 г. и 2000 г. ще позволят да се направят корекции на неговата дебелина. По този начин резултатите от сравнението свидетелстват за валидността на предложения нов модел на структурата на мантията.

Заключение

Изследването на дълбоката структура на Земята е една от най-големите и важни области на геоложките науки. Нов стратификация на мантиятаЗемята ни позволява да подходим към сложния проблем на дълбоката геодинамика много по-малко схематично, отколкото преди. Разликата в сеизмичните характеристики на земните черупки ( геосфери), отразявайки разликата в техните физични свойства и минерален състав, създава възможности за моделиране на геодинамични процеси във всеки един от тях поотделно. Геосферите в този смисъл, както вече е съвсем ясно, имат известна автономия. Тази изключително важна тема обаче е извън обхвата на тази статия. По-нататъшното развитие на сеизмичната томография, както и някои други геофизични изследвания, както и изучаването на минералния и химичния състав на дълбините, ще зависи от много по-обосновани конструкции относно състава, структурата, геодинамиката и еволюцията на Земята като дупка.

Библиография

геовремена. 1994 том. 39, № 6. С. 13-15.

Рос А. Преработената мантия на Земята // Природа. 1997 том. 385, № 6616. С. 490.

Томпсън А.Б. Вода в горната мантия на Земята // Природа. 1992 том. 358, № 6384. С. 295-302.

Пушчаровски Д.Ю. Дълбоките минерали на Земята // Природа. 1980. N 11. С. 119-120.

Su W., Woodward R.L., Dziewonski A.M. Модел на степен 12 на хетерогенност на скоростта на срязване в мантията // J. Geophys. Рез. 1994 том. 99, N B4. P. 6945-6980.

J. Geol. соц. Япония. 1994 том. 100, № 1. С. VI-VII.

Пушчаровски Ю.М. Сеизмична томография и структура на мантията: Тектонска перспектива // ​​Doklady AN. 1996. Т. 351, N 6. С. 805-809.

Мантията съдържа по-голямата част от материята на Земята. Мантията се среща и на други планети. Земната мантия е в диапазона от 30 до 2900 km.

В неговите граници по сеизмични данни се разграничават: горният мантиен слой ATдо 400 км дълбочина и ОТдо 800-1000 км (някои изследователи слой ОТнаречена средна мантия); долен мантиен слой D предидълбочина 2700 с преходен слой D1от 2700 до 2900 км.

Границата между земната кора и мантията е границата на Мохоровичич или накратко Мохо. На него има рязко увеличение на сеизмичните скорости - от 7 до 8-8,2 km / s. Тази граница се намира на дълбочина от 7 (под океаните) до 70 километра (под гънките). Мантията на Земята е разделена на горна мантия и долна мантия. Границата между тези геосфери е слоят Голицин, разположен на дълбочина около 670 km.

Устройството на Земята според различни изследователи

Разликата в състава на земната кора и мантията е следствие от техния произход: първоначално хомогенната Земя в резултат на частично топене се е разделила на топима и лека част - кора и плътна и огнеупорна мантия.

Източници на информация за мантията

Мантията на Земята е недостъпна за пряко изследване: тя не достига земната повърхност и не е достигната чрез дълбоки сондажи. Следователно по-голямата част от информацията за мантията е получена чрез геохимични и геофизични методи. Данните за неговата геоложка структура са много ограничени.

Мантията се изследва по следните данни:

• геофизични данни. На първо място, данни за скоростите на сеизмичните вълни, електрическата проводимост и гравитацията.
• Мантийни стопи - базалти, коматиити, кимберлити, лампроити, карбонатити и някои други магмени скали се образуват в резултат на частичното топене на мантията. Съставът на стопилката е следствие от състава на разтопените скали, вътрешния процес на топене и физикохимичните параметри на процеса на топене. Като цяло възстановяването на източника от стопилката е трудна задача.
• Фрагменти от мантийни скали, изнесени на повърхността от мантийни стопилки - кимберлити, алкални базалти и др. Това са ксенолити, ксенокристи и диаманти. Особено място сред източниците на информация за мантията заемат диамантите. Именно в диамантите се намират най-дълбоките минерали, които може дори да идват от долната мантия. В този случай тези диаманти представляват най-дълбоките фрагменти от земята, достъпни за директно изследване.
• Скалите на мантията в състава на земната кора. Такива комплекси са най-съвместими с мантията, но също така се различават от нея. Най-важната разлика е в самия факт на тяхното присъствие в състава на земната кора, от което следва, че те са се образували в резултат на не съвсем обикновени процеси и може би не отразяват типичната мантия. Те се срещат в следните геодинамични условия:

1. Хипербазитите от алпийски тип са части от мантията, вградени в земната кора в резултат на планинско строителство. Най-разпространен в Алпите, откъдето идва и името.
2. Офиолитни хипербазити - передотити в състава на офиолитни комплекси - части от древната океанска кора.
3. Абисалните перидотити са издатини на мантийни скали на дъното на океани или разриви.

Тези комплекси имат предимството, че в тях могат да се наблюдават геоложки връзки между различни скали.

Наскоро беше обявено, че японски изследователи планират да се опитат да пробият океанската кора до мантията. За това е построен корабът Chikyu. Началото на сондажите е планирано за 2007 г.

Основният недостатък на информацията, получена от тези фрагменти, е невъзможността да се установят геоложки връзки между различни видове скали. Това са части от пъзел. Както казва класикът, „определянето на състава на мантията от ксенолитите напомня на опитите да се определи геоложки строежпланини върху камъчетата, които реката изнесе от тях.

Състав на мантията

Мантията е изградена главно от ултрабазични скали: перидотити (лерзолити, харцбургити, верлити, пироксенити), дунити и в по-малка степен основни скали - еклогити.

Също така сред скалите на мантията са идентифицирани редки разновидности на скали, които не се срещат в земната кора. Това са различни флогопитови перидотити, гроспидити и карбонатити.

Структурата на мантията

Процесите, протичащи в мантията, оказват най-пряко въздействие върху земната кора и повърхността на земята, са причина за движението на континентите, вулканизма, земетресенията, изграждането на планини и образуването на рудни находища. Има все повече доказателства, че самата мантия е активно повлияна от металното ядро ​​на планетата.

Конвекция и струи

Библиография

• Pushcharovsky D.Yu., Pushcharovsky Yu.M.Състав и структура на мантията на Земята // Soros Educational Journal, 1998, No 11, p. 111–119.
• Ковтун А.А.Електрическа проводимост на Земята // Soros Educational Journal, 1997, No 10, p. 111–117

Източник: Короновски Н.В., Якушова А.Ф. "Основи на геологията", М., 1991 г

Връзки

• Изображения на земната кора и горната част на мантията // Международна геоложка корелационна програма (IGCP), проект 474

> От какво е направена Земята?

вътрешни структура на земята. Проучете структурата на планетата: кора, ядро, мантия, от какви химични елементи се състои Земята, история на изследването, геология.

Земята е повече, отколкото можем да видим от нашата гледна точка. Ако беше възможно да го разрежете наполовина, тогава ще бъдете много изненадани. Втурваме се в търсене на нови светове, но все още не знаем много за нашия.

Но сеизмологията успя да отвори структурата на Земята и да покаже слоевете. Всеки е надарен със свои собствени свойства, характеристики и състав. И всичко това се отразява на земните процеси. От какво е направена земята?

Съвременна теория

Вътрешното пространство на планетата е обособено. Тоест структурата (както и останалите планети) е представена от слоеве. Премахнете един и ще бъдете отведени до следващия. И всеки ще има своя собствена температура и химичен състав.

Нашето разбиране за слоевете на планетата се основава на резултатите от сеизмологичния мониторинг. Той включва изследване на звукови вълни, създадени от земетресение, както и анализ на това как преминаването през различни слоеве забавя техния темп. Промените в сеизмичната скорост водят до пречупване.

Те се използват във връзка с трансформации в гравитационни и магнитни полета и експерименти с кристални твърди вещества, които симулират налягане и температура във вътрешността на планетата.

Проучване

Дори в древни времена човечеството се опитва да разбере състава на Земята. Първите опити дори не са свързани с науката. Това бяха по-скоро легенди и митове, свързани с божествена намеса. Въпреки това сред населението се разпространяват няколко теории.

Може би сте чували за плоската земя. Това мнение е често срещано в месопотамската култура. Планетата беше изобразена като плосък диск, разораващ океана. Маите също го смятали за плосък, но в ъглите имало четири ягуара, които държали небето. Персите виждали космическата планина, докато китайците я виждали като четиристранен куб.

През 6 век пр.н.е д. гърците клонят към заоблена форма, а през 3 век пр.н.е. д. идеята за сферична Земя набираше почва под краката и първата доказателствена база. В същия момент учените започват да влизат в контакт с геоложките изследвания, а философите започват да разглеждат минералите и металите.

Но истинската промяна настъпва едва през 16-ти и 17-ти век. Едмънд Халей предложи теорията за "празната земя" през 1692 г. Той вярваше, че вътре има кухина, тоест определено ядро, чиято дебелина е 800 км.

Между тези сфери има въздушна междина. За да се избегне ефектът на триене, вътрешната сфера трябва да се задържи на място от гравитацията. Моделът показва две концентрични обвивки около ядрото. Диаметърът съответства на Меркурий, Венера и Марс.

Халей се основава на плътностите на Луната и Земята, представени от Исак Нютон през 1687 г. След това учените решиха да разгледат надеждността на Библията. За изследователите беше важно да изчислят реалната възраст на планетата и да намерят доказателства за наводнение. Тук те започнаха да разглеждат вкаменелости и да разработят система за класифициране на датирането на слоевете.

През 1774 г. Ейбрахам Вернер представя в своите писания подробна системаидентифициране на определени минерали въз основа на техните външни характеристики.

През 1741 г. в Националния природонаучен музей на Франция се появява първата длъжност по геология. След 10 години се използва терминът "геология".

През 1770г химичните анализи излизат на преден план в изследванията. Една от важните задачи беше да се проучат местата за наличие на течни наводнения в миналото (наводнение). През 1780г имаше хора, които вярваха, че слоевете са създадени не поради вода, а поради огън. Последователите бяха наречени плутонисти. Те вярвали, че планетата се е образувала поради втвърдяването на разтопени маси. И всичко това се случи много бавно. Това означаваше, че планетата е много по-стара, отколкото се казва в Библията.

През 19 век геологията е силно повлияна от индустриалната революция, както и концепцията за стратиграфската колона - скалните образувания са подредени в реда на появата им във времето. Учените започнаха да осъзнават, че възрастта на вкаменелостите може да бъде изчислена геологично (колкото по-дълбоко са намерени, толкова по-стари са).

Изследователите получиха възможност да пътуват, за да разширят кръгозора си и да сравнят находки на различни места. Сред тези късметлии беше Чарлз Дарвин, вербуван от капитана на кораба Бийгъл.

Гигантските вкаменелости, които открива, го правят геолог, а теориите му за причините за изчезването довеждат до най-важната работа „Произходът на видовете“, написана през 1859 г.

Учените увеличиха знанията си и създадоха геоложки карти на Земята. Те вече са изчислили възрастта на земята като милиони, а не хилядни. Но развитието на технологиите помогна да се изместят остатъците от догматични идеи.

През 20 век се появява радиометрично датиране. Тогава смятаха, че възрастта на планетата достига 2 милиарда години. През 1912 г. Алфред Вегенер предлага теорията за дрейфа на континентите. Тоест някога всички континенти са били едно. По-късно това беше потвърдено от геоложкия анализ на пробите.

Теорията за тектониката на плочите произхожда от изследването на океанското дъно. Геофизичните данни показват странично движение на континентите, а океанската кора е по-млада от континенталната.

През 20-ти век сеизмологията, изучаването на земетресенията и преминаването на вълните през Земята, се развива активно. Това помогна да се разбере композицията и да се стигне до същината.

През 1926 г. Харолд Джефис заявява, че ядрото на земята е течно, а през 1937 г. Инге Леман разширява тази теория, като добавя, че вътре в течното ядро ​​има твърдо твърдо тяло.

Земни слоеве

Земята може да бъде разделена механично или химически. Първият метод изучава течните състояния. Тук се появяват литосферата, астеносферата и мезосферата, външното и вътрешното ядро. Но химическият метод, който откри кората, мантията и ядрото, придоби голяма популярност.

Вътрешното ядро ​​е твърдо, а външното е течно. Долната мантия е под силно налягане и следователно има по-нисък вискозитет от горната. Всички различия са причинени от процесите, съпътстващи планетарното развитие в продължение на 4,5 милиарда години. Нека да разгледаме по-отблизо вътрешна структураЗемята.

Кора

Това е външният, охладен и замразен слой. Тя се простира на 570 km и представлява само 1% от обема на планетата.

По-тесните части са океанската кора, лежаща под океанските басейни (5-10 km), а по-плътната част е континенталната кора. Горната част на мантията и земната кора е литосферата, обхващаща 200 км. Повечето от скалите са се образували преди 100 милиона години.

Горна мантия

Той заема 84% от обема и изглежда предимно твърд, но понякога се държи като вискозна течност. Започва от "Mohorovicic Surface" - 7-35 km и се задълбочава до 410 km.

Движението в мантията се отразява в движението на тектоничните плочи. Процесът се задвижва от топлина от дълбините. Именно това води до земетресения и образуването на планински вериги.

Температурата се повишава с 500-900°C. Слоят на дълбочина 410-660 km се счита за преходна зона.

долна мантия

Температурата на дълбочина 660-2891 км може да достигне 4000°C. Но налягането тук е твърде силно, така че вискозитетът и топенето са ограничени. Малко се знае за този слой, но се смята, че е сеизмично хомогенен.

външно ядро

Това е течна обвивка с дебелина 2300 км, а в радиус покрива 3400 км. Тук плътността е много по-висока - 9900-12200 kg / m 3. Смята се, че ядрото е представено от 80% желязо, както и никел и други леки елементи. Няма силен натиск, така че не се втвърдява, въпреки че съставът наподобява вътрешното ядро. Температура - 4030 ° С.

В течното ядро, поради температура и турбуленция, се създава динамо, което влияе на магнитното поле.

вътрешно ядро

Какви елементи изграждат ядрото на Земята? Представена е от желязо и никел, а в радиус обхваща 1220 км. Плътност - 12600-13000 kg / m 3, което подсказва наличието на тежки елементи (платина, злато, паладий, волфрам и сребро).

Температурата тук достига до 5400°C. Защо твърдите метали остават течни? Тъй като точката на топене е изключително висока, както и налягането. Вътрешно тя не е силно свързана с твърдата мантия, така че се смята, че се върти по-бързо от самата планета.

Съществува и мнение, че вътрешното ядро ​​също има слоеве, разделени от преходна зона с дебелина 250-400 km. Най-долният слой е в състояние да се простира на 1180 км в диаметър. Учените свидетелстват за динамиката, поради която ядрото се разширява с 1 мм на година.

Както можете да видите, нашата планета е невероятно и пълно с мистерии място. Все още дебне топлината, натрупана преди милиарди години. И това не е мъртво тяло, а динамичен обект, който непрекъснато се променя.

Преки данни за материалния състав на дълбоките зони практически няма. Изводите се основават на геофизични данни, допълнени от резултатите от експерименти и математическо моделиране. Значителна информация се предоставя от метеорити и фрагменти от скали от горната мантия, пренесени от дълбините от дълбоки магмени стопилки.

Брутният химичен състав на Земята е много близък до състава на въглеродните хондрити - метеорити, подобни по състав на първичното космическо вещество, от което са се образували Земята и други космически тела на Слънчевата система. По отношение на брутния състав, 92% от Земята се състои само от пет елемента (в низходящ ред на съдържание): кислород, желязо, силиций, магнезий и сяра. Всички останали елементи представляват около 8%.

Въпреки това, в състава на геосферите на Земята изброените елементи са разпределени неравномерно - съставът на всяка черупка рязко се различава от брутния химичен състав на планетата. Това се дължи на процесите на диференциация на първичното хондритно вещество в процеса на формиране и еволюция на Земята.

Основната част от желязото в процеса на диференциация е концентрирана в ядрото. Това е в добро съответствие с данните за плътността на веществото на ядрото и с наличието на магнитно поле, с данните за характера на диференциацията на хондритното вещество и с други факти. Експериментите при свръхвисоки налягания показват, че при налягания, достигнати на границата на ядрото и мантията, плътността на чистото желязо е близо до 11 g/cm 3 , което е по-високо от действителната плътност на тази част на планетата. Следователно във външното ядро ​​има някои леки компоненти. Като най-вероятни компоненти се считат водород или сяра. Така че изчисленията показват, че смес от 86% желязо + 12% сяра + 2% никел съответства на плътността на външното ядро ​​и трябва да бъде в разтопено състояние при P-T условията на тази част на планетата. Твърдото вътрешно ядро ​​е представено от никелово желязо, вероятно в съотношение 80% Fe + 20% Ni, което съответства на състава на железните метеорити.

Към днешна дата са предложени няколко модела за описание на химичния състав на мантията (Таблица). Въпреки различията между тях, всички автори приемат, че приблизително 90% от мантията се състои от оксиди на силиций, магнезий и двувалентно желязо; други 5 - 10% са оксиди на калций, алуминий и натрий. Така 98% от мантията се състои само от шест изброени оксида.

Формата на намиране на тези елементи е спорна: под формата на какви минерали и скали се намират?

До дълбочина от 410 км, според модела на лерцолита, мантията се състои от 57% оливин, 27% пироксен и 14% гранат; плътността му е около 3,38 g/cm3. На границата от 410 km оливинът преминава в шпинел, а пироксенът в гранат. Съответно долната мантия се състои от асоциация гранат-шпинел: 57% шпинел + 39% гранат + 4% пироксен. Превръщането на минералите в по-плътни модификации на завоя от 410 km води до увеличаване на плътността до 3,66 g/cm3, което се отразява в увеличаване на скоростта на сеизмичните вълни, преминаващи през това вещество.

Следващият фазов преход е ограничен до границата от 670 км. На това ниво налягането определя разлагането на минералите, типични за горната мантия, за да се образуват по-плътни минерали. В резултат на това пренареждане на минералните асоциации, плътността на долната мантия на границата от 670 km става около 3,99 g/cm3 и постепенно се увеличава с дълбочината под налягане. Това се фиксира чрез рязко увеличаване на скоростта на сеизмичните вълни и по-нататъшно постепенно увеличаване на скоростта на границата от 2900 km. На границата между мантията и ядрото силикатните минерали вероятно се разлагат на метални и неметални фази. Това процесът на диференциация на мантийното вещество е придружен от растеж на металното ядро ​​на планетата и освобождаване на топлинна енергия.

Обобщавайки горните данни, трябва да се отбележи, че отделянето на мантията се дължи на пренареждането на кристалната структура на минералите без значителна промяна в нейния химичен състав. Сеизмичните интерфейси са ограничени до области на фазови трансформации и са свързани с промяна в плътността на материята.

Секцията ядро/мантия е, както беше отбелязано по-рано, много остра. Тук скоростта и естеството на преминаване на вълните, плътността, температурата и други физически параметри се променят драстично. Такива радикални промени не могат да се обяснят с пренареждането на кристалната структура на минералите и несъмнено са свързани с промяна в химичния състав на веществото.

По-подробна информация има в материалния състав на земната кора, чиито горни хоризонти са достъпни за директно изследване.

Химическият състав на земната кора се различава от по-дълбоките геосфери преди всичко по обогатяването си със сравнително леки елементи - силиций и алуминий.

Достоверна информация има само за химическия състав на най-горната част на земната кора. Първите данни за неговия състав са публикувани през 1889 г. от американския учен Ф. Кларк, като средноаритметично от 6000 химични анализа на скали. По-късно, въз основа на многобройни анализи на минерали и скали, тези данни бяха многократно усъвършенствани, но дори и сега процентът на химичния елемент в земната кора се нарича кларк. Около 99% от състава на земната кора се заема само от 8 елемента, т.е. те имат най-големите кларкове (данните за тяхното съдържание са дадени в таблицата). Освен това могат да се посочат още няколко елемента, които имат относително високи кларкове: водород (0,15%), титан (0,45%), въглерод (0,02%), хлор (0,02%), които общо съставляват 0,64%. За всички останали елементи, съдържащи се в земната кора в хилядни и милионни части, остават 0,33%. По този начин, по отношение на оксидите, земната кора е съставена главно от SiO2 и Al2O3 (има "сиалов" състав, SIAL), което значително я отличава от мантията, обогатена с магнезий и желязо.

В същото време трябва да се има предвид, че горните данни за средния състав на земната кора отразяват само общата геохимична специфика на тази геосфера. В границите на земната кора океанският и континенталният тип кора се различават значително по състав. Океанската кора се формира от магматични стопилки, идващи от мантията, поради което е много по-обогатена на желязо, магнезий и калций от континенталната.

Средното съдържание на химични елементи в земната кора
(според Виноградов)

Химичен състав на континенталната и океанската кора

Не по-малко значителни разлики се откриват между горната и долната част на континенталната кора. Това до голяма степен се дължи на образуването на земни магми, произтичащи от топенето на земните скали. По време на топенето на скали с различен състав се топят магми, състоящи се до голяма степен от силициев диоксид и алуминиев оксид (те обикновено съдържат повече от 64% SiO 2), а оксидите на желязо и магнезий остават в дълбоките хоризонти под формата на неразтопен " остатък". Стопилки с ниска плътност проникват в по-високите хоризонти на земната кора, обогатявайки ги със SiO 2 и Al 2 O 3 .

Химичен състав на горната и долната част на континенталната кора
(според Тейлър и Макленън)

Химичните елементи и съединения в земната кора могат да образуват собствени минерали или да бъдат в диспергирано състояние, влизайки под формата на примеси във всякакви минерали и скали.

Има специален състав, различен от състава на покриващата го земна кора. Данните за химичния състав на мантията са получени от анализи на най-дълбоките магмени скали, навлезли в горните хоризонти на Земята в резултат на мощни тектонични издигания с отстраняването на мантийния материал. Тези скали включват ултраосновни скали - дунити, перидотити, срещащи се в планинските системи. Скалите на островите Сейнт Пол в средната част Атлантически океан, според всички геоложки данни, се отнасят за мантийния материал. Материалът на мантията също включва скални фрагменти, събрани от съветските океанографски експедиции от дъното Индийски океанв хребета на Индийския океан. Що се отнася до минералогичния състав на мантията, тук могат да се очакват значителни промени, като се започне от горните хоризонти и се стигне до основата на мантията, поради повишаване на налягането. Горната мантия е съставена главно от силикати (оливини, пироксени, гранати), които са стабилни и при относително ниско налягане. Долната мантия е съставена от минерали с висока плътност.

Най-често срещаният компонент на мантията е силициевият оксид в състава на силикатите. Но при високо налягане силициевият диоксид може да премине в по-плътна полиморфна модификация - стишовит. Този минерал е получен от съветския изследовател Стишов и е кръстен на него. Ако обикновеният кварц има плътност 2,533 r/cm 3 , то стишовитът, образуван от кварц при налягане 150 000 bar, има плътност 4,25 g/cm 3 .

В допълнение, по-плътни минерални модификации на други съединения също са вероятни в долната мантия. Въз основа на гореизложеното може разумно да се предположи, че с увеличаване на налягането обичайните желязо-магнезиеви силикати на оливините и пироксените се разлагат на оксиди, които поотделно имат по-висока плътност от силикатите, които се оказват стабилни в горната мантия.

Горната мантия се състои главно от желязо-магнезиеви силикати (оливин, пироксен). Някои алумосиликати могат да се трансформират тук в по-плътни минерали като гранати. Под континентите и океаните горната мантия има различни свойства и вероятно различен състав. Може само да се предположи, че в областта на континентите мантията е по-диференцирана и има по-малко SiO 2 поради концентрацията на този компонент в алуминосиликатната кора. Под океаните мантията е по-малко диференцирана. В горната мантия могат да възникнат по-плътни полиморфни модификации на оливин със структура на шпинел и др.

Преходният слой на мантията се характеризира с постоянно нарастване на скоростите на сеизмичните вълни с дълбочина, което показва появата на по-плътни полиморфни модификации на материята. Тук, очевидно, FeO, MgO, GaO, SiO 2 оксиди се появяват под формата на вюстит, периклаз, вар и стишовит. Техният брой нараства с дълбочина, докато количеството на обикновените силикати намалява и под 1000 km те съставляват незначителна част.

Долната мантия в дълбочината от 1000-2900 km почти изцяло се състои от плътни разновидности на минерали - оксиди, както се вижда от високата й плътност в диапазона 4,08-5,7 g/cm 3 . Под въздействието на повишено налягане, плътните оксиди се компресират, което допълнително увеличава тяхната плътност. Съдържанието на желязо също вероятно се увеличава в долната мантия.

земното ядро. Въпросът за състава и физическата природа на ядрото на нашата планета е един от най-вълнуващите и мистериозни проблеми на геофизиката и геохимията. Едва наскоро имаше малко просветление в решаването на този проблем.

Обширното централно ядро ​​на Земята, което заема вътрешния регион, по-дълбок от 2900 km, се състои от голямо външно ядро ​​и малко вътрешно. Според сеизмичните данни външното ядро ​​има свойствата на течност. Не пропуска напречни сеизмични вълни. Липсата на кохезионни сили между ядрото и долната мантия, естеството на приливите и отливите в мантията и кората, особеностите на движението на оста на въртене на Земята в космоса, естеството на преминаването на сеизмичните вълни по-дълбоки от 2900 km показват че външното ядро ​​на Земята е течно.

Някои автори приемат, че съставът на ядрото за химически хомогенен модел на Земята е силикатен и под въздействието на високо налягане силикатите преминават в „метализирано“ състояние, придобивайки атомна структура, в която външните електрони са общи. Изброените по-горе геофизични данни обаче противоречат на предположението за „метализирано“ състояние на силикатния материал в ядрото на Земята. По-специално, липсата на кохезия между ядрото и мантията не може да бъде съвместимо с "метализирано" твърдо ядро, което се приема в хипотезата на Лодочников-Рамзи. Много важни косвени данни за ядрото на Земята са получени по време на експерименти със силикати под високо налягане. В този случай налягането достигна 5 милиона атм. Междувременно в центъра на Земята налягането е 3 милиона атм., а на границата на ядрото - приблизително 1 милион атм. По този начин, експериментално, беше възможно да се блокира натискът, който съществува в самите дълбини на Земята. В този случай за силикатите се наблюдава само линейна компресия без скок и преход към „метализирано“ състояние. Освен това при високи налягания и на дълбочини от 2900-6370 km силикатите не могат да бъдат в течно състояние, като оксидите. Тяхната точка на топене се повишава с увеличаване на налягането.

пер последните годиниБяха получени много интересни резултати от изследвания за ефекта на много високо налягане върху точката на топене на металите. Оказа се, че редица метали при високо налягане (300 000 атм. и повече) преминават в течно състояние при относително ниски температури. Според някои изчисления сплав от желязо с примес на никел и силиций (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) на дълбочина 2900 km под въздействието на високо налягане трябва да бъде в течно състояние вече при температура от 1000 ° C. Но температурата на тези дълбочини, според най-консервативните оценки на геофизиците, тя трябва да бъде много по-висока.

Следователно, в светлината на данните от съвременната геофизика и физиката на високото налягане, както и данните от космохимията, показващи водещата роля на желязото като най-разпространения метал в космоса, трябва да се приеме, че ядрото на Земята е съставено главно от течно желязо с примес на никел. Въпреки това изчисленията на американския геофизик Ф. Бърч показаха, че плътността на земното ядро ​​е с 10% по-ниска от тази на желязо-никелова сплав при температури и налягания, преобладаващи в ядрото. От това следва, че металното ядро ​​на Земята трябва да съдържа значително количество (10-20%) някакъв вид бял дроб. От всички най-леки и най-разпространени елементи силицият (Si) и сярата (S) са най-вероятните | Наличието на едно или друго може да обясни наблюдаваните физически свойства на земното ядро. Следователно въпросът какво е примес на земното ядро ​​- силиций или сяра, се оказва спорен и е свързан с начина, по който на практика се формира нашата планета.

A. Ridgwood през 1958 г. приема, че земното ядро ​​съдържа силиций като лек елемент, аргументирайки това предположение с факта, че елементарен силиций в количество от няколко тегловни процента се намира в металната фаза на някои редуцирани хондритни метеорити (енстатит). Други аргументи в полза на наличието на силиций в земното ядро ​​обаче няма.

Предположението, че има сяра в ядрото на Земята, следва от сравнение на нейното разпределение в хондритния материал на метеоритите и земната мантия. По този начин сравнението на елементарните атомни съотношения на някои летливи елементи в смес от кора и мантия и в хондрити показва рязка липса на сяра. В материала на мантията и кората концентрацията на сяра е с три порядъка по-ниска, отколкото в средния материал на Слънчевата система, който се приема за хондрити.

Възможността за загуба на сяра при високите температури на примитивната Земя е елиминирана, тъй като други по-летливи елементи от сярата (например H2 под формата на H2O), за които е установено, че са с много по-малък дефицит, биха били загубени в много по-голяма степен. степен. Освен това, когато слънчевият газ се охлади, сярата се свързва химически с желязото и престава да бъде летлив елемент.

В тази връзка е напълно възможно големи количества сяра да попаднат в земното ядро. Трябва да се отбележи, че при равни други условия точката на топене на системата Fe-FeS е много по-ниска от точката на топене на желязо или мантиен силикат. Така че, при налягане от 60 kbar, точката на топене на системата (евтектика) Fe-FeS ще бъде 990 ° C, докато чистото желязо - 1610 °, а мантийният пиролит - 1310. Следователно, с повишаване на температурата в червата на първоначално хомогенната Земя, желязна стопилка, обогатена със сяра, ще се образува първо и поради ниския си вискозитет и висока плътност лесно ще се оттича в централните части на планетата, образувайки желязо-серно ядро. По този начин наличието на сяра в средата на никел-желязо действа като поток, като понижава точката на топене като цяло. Хипотезата за наличието на значителни количества сяра в земното ядро ​​е много привлекателна и не противоречи на всички известни данни на геохимията и космохимията.

По този начин съвременните представи за природата на вътрешността на нашата планета съответстват на химически диференцирани Глобусът, който се оказа разделен на две различни части: мощна твърда силикатно-оксидна мантия и течно, предимно метално ядро. Земната кора е най-леката горна твърда обвивка, състояща се от алумосиликати и имаща най-сложната структура.

Обобщавайки горното, можем да направим следните изводи.

1. Земята има слоесто-зонална структура. Състои се от две трети от твърда силикатно-оксидна обвивка - мантия и една трета от метално течно ядро.
2. Основните свойства на Земята показват, че ядрото е в течно състояние и само желязото от най-често срещаните метали с примес на някои леки елементи (най-вероятно сяра) е в състояние да осигури тези свойства.
3. В горните си хоризонти Земята има асиметрична структура, обхващаща кората и горната част на мантията. Океанското полукълбо в горната мантия е по-малко диференцирано от противоположното континентално полукълбо.

Задачата на всяка космогонична теория за произхода на Земята е да обясни тези основни характеристики на нейната вътрешна природа и състав.