Γήινος μανδύας. Ανώτερος μανδύας της Γης: σύνθεση, θερμοκρασία, ενδιαφέροντα γεγονότα. Υγρή κατάσταση και νερό

D.Yu. Pushcharovsky, Yu.M. Pushcharovsky (Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας με το όνομα M.V. Lomonosov)

Η σύνθεση και η δομή των βαθιών κελυφών της Γης τις τελευταίες δεκαετίες συνεχίζουν να αποτελούν ένα από τα πιο ενδιαφέροντα προβλήματα της σύγχρονης γεωλογίας. Ο αριθμός των άμεσων δεδομένων για το θέμα των βαθιών ζωνών είναι πολύ περιορισμένος. Από αυτή την άποψη, ένα ορυκτό συσσωμάτωμα από τον σωλήνα κιμπερλίτη του Λεσότο (Νότια Αφρική) κατέχει μια ιδιαίτερη θέση, το οποίο θεωρείται ως εκπρόσωπος των πετρωμάτων του μανδύα που εμφανίζονται σε βάθος ~250 km. Ο πυρήνας που ανακτήθηκε από το βαθύτερο πηγάδι του κόσμου, που έγινε διάτρηση στη χερσόνησο Κόλα και φτάνοντας τα 12.262 μέτρα, έχει διευρύνει σημαντικά την επιστημονική κατανόηση των βαθιών οριζόντων του φλοιού της γης - ένα λεπτό φιλμ κοντά στην επιφάνεια της υδρογείου. Ταυτόχρονα, τα τελευταία δεδομένα της γεωφυσικής και τα πειράματα που σχετίζονται με τη μελέτη των δομικών μετασχηματισμών ορυκτών ήδη τώρα επιτρέπουν τη μοντελοποίηση πολλών χαρακτηριστικών της δομής, της σύνθεσης και των διεργασιών που συμβαίνουν στα βάθη της Γης, η γνώση των οποίων συμβάλλει στη λύση βασικών προβλημάτων της σύγχρονης φυσικής επιστήμης όπως ο σχηματισμός και η εξέλιξη του πλανήτη, η δυναμική του φλοιού και του μανδύα της γης, οι πηγές ορυκτών πόρων, η αξιολόγηση κινδύνου από τη διάθεση επικίνδυνων αποβλήτων σε μεγάλα βάθη, οι ενεργειακοί πόροι της Γης κ.λπ.

Σεισμικό μοντέλο της δομής της Γης

Το ευρέως γνωστό μοντέλο της εσωτερικής δομής της Γης (η διαίρεση της στον πυρήνα, τον μανδύα και τον φλοιό της γης) αναπτύχθηκε από τους σεισμολόγους G. Jeffreys και B. Gutenberg το πρώτο μισό του 20ού αιώνα. Αποφασιστικός παράγοντας σε αυτό ήταν η ανακάλυψη μιας απότομης μείωσης της ταχύτητας διέλευσης των σεισμικών κυμάτων στο εσωτερικό της υδρογείου σε βάθος 2900 km με ακτίνα του πλανήτη 6371 km. Η ταχύτητα διάδοσης των διαμήκων σεισμικών κυμάτων ακριβώς πάνω από το καθορισμένο όριο είναι 13,6 km/s και κάτω από αυτό - 8,1 km/s. Αυτό είναι όριο μανδύα-πυρήνα.

Αντίστοιχα, η ακτίνα του πυρήνα είναι 3471 km. Το άνω όριο του μανδύα είναι το σεισμικό τμήμα του Μοχόροβιτς ( Moho, M), που αναγνωρίστηκε από τον Γιουγκοσλάβο σεισμολόγο A. Mohorovichich (1857-1936) το 1909. Διαχωρίζει τον φλοιό της γης από τον μανδύα. Σε αυτό το όριο, οι ταχύτητες των διαμήκων κυμάτων που έχουν περάσει από τον φλοιό της γης αυξάνονται απότομα από 6,7-7,6 σε 7,9-8,2 km/s, αλλά αυτό συμβαίνει σε διαφορετικά επίπεδα βάθους. Κάτω από τις ηπείρους, το βάθος του τμήματος Μ (δηλαδή τα πέλματα του φλοιού της γης) είναι μερικές δεκάδες χιλιόμετρα και κάτω από ορισμένες ορεινές κατασκευές (Παμίρ, Άνδεις) μπορεί να φτάσει τα 60 χιλιόμετρα, ενώ κάτω από τις λεκάνες των ωκεανών, συμπεριλαμβανομένης της στήλης νερού, το βάθος είναι μόνο 10-12 km . Γενικά, ο φλοιός της γης σε αυτό το σχήμα εμφανίζεται ως ένα λεπτό κέλυφος, ενώ ο μανδύας εκτείνεται σε βάθος στο 45% της ακτίνας της γης.

Αλλά στα μέσα του 20ου αιώνα, οι ιδέες για μια πιο κλασματική βαθιά δομή της Γης εισήλθαν στην επιστήμη. Με βάση νέα σεισμολογικά δεδομένα, αποδείχθηκε ότι ήταν δυνατός ο διαχωρισμός του πυρήνα σε εσωτερικό και εξωτερικό και ο μανδύας σε κάτω και άνω (Εικ. 1). Αυτό το δημοφιλές μοντέλο χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα. Ξεκίνησε από τον Αυστραλό σεισμολόγο Κ.Ε. Bullen, ο οποίος πρότεινε στις αρχές της δεκαετίας του '40 ένα σχέδιο για τη διαίρεση της Γης σε ζώνες, τις οποίες ονόμασε με γράμματα: Α - φλοιός της γης, Β - μια ζώνη στο διάστημα βάθους 33-413 km, C - μια ζώνη 413- 984 km, D - ζώνη 984-2898 km , D - 2898-4982 km, F - 4982-5121 km, G - 5121-6371 km (κέντρο της Γης). Αυτές οι ζώνες διαφέρουν ως προς τα σεισμικά χαρακτηριστικά. Αργότερα χώρισε τη ζώνη Δ σε ζώνες Δ «(984-2700 χλμ.) και Δ» (2700-2900 χλμ.). Προς το παρόν, αυτό το σχήμα έχει τροποποιηθεί σημαντικά και μόνο το στρώμα D χρησιμοποιείται ευρέως στη βιβλιογραφία. Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι η μείωση των κλίσεων της σεισμικής ταχύτητας σε σύγκριση με την υπερκείμενη περιοχή του μανδύα.

Ρύζι. 1. Διάγραμμα της βαθιάς δομής της Γης

Όσο περισσότερες σεισμολογικές μελέτες γίνονται, τόσο περισσότερα σεισμικά όρια εμφανίζονται. Τα παγκόσμια όρια θεωρούνται τα 410, 520, 670, 2900 km, όπου η αύξηση των ταχυτήτων των σεισμικών κυμάτων είναι ιδιαίτερα αισθητή. Μαζί με αυτά διακρίνονται και ενδιάμεσα όρια: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 km. Επιπλέον, υπάρχουν ενδείξεις γεωφυσικών για την ύπαρξη ορίων 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 km. N.I. Η Pavlenkova πρόσφατα ξεχώρισε το όριο 100 ως παγκόσμιο, το οποίο αντιστοιχεί στο κατώτερο επίπεδο της διαίρεσης του άνω μανδύα σε μπλοκ. Τα ενδιάμεσα όρια έχουν διαφορετική χωρική κατανομή, η οποία υποδηλώνει την πλευρική μεταβλητότητα των φυσικών ιδιοτήτων του μανδύα, από τις οποίες εξαρτώνται. Τα παγκόσμια όρια αντιπροσωπεύουν μια διαφορετική κατηγορία φαινομένων. Αντιστοιχούν σε παγκόσμιες αλλαγές στο περιβάλλον του μανδύα κατά μήκος της ακτίνας της Γης.

Τα σημαδεμένα παγκόσμια σεισμικά όρια χρησιμοποιούνται στην κατασκευή γεωλογικών και γεωδυναμικών μοντέλων, ενώ τα ενδιάμεσα με αυτή την έννοια δεν έχουν τραβήξει μέχρι στιγμής σχεδόν καμία προσοχή. Εν τω μεταξύ, οι διαφορές στην κλίμακα και την ένταση των εκδηλώσεών τους δημιουργούν μια εμπειρική βάση για υποθέσεις που αφορούν φαινόμενα και διεργασίες στα βάθη του πλανήτη.

Παρακάτω θα εξετάσουμε πώς συσχετίζονται τα γεωφυσικά όρια με τα πρόσφατα αποτελέσματα δομικών αλλαγών σε ορυκτά υπό την επίδραση υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών, οι τιμές των οποίων αντιστοιχούν στις συνθήκες των βάθους της γης.

Το πρόβλημα της σύνθεσης, της δομής και των συσχετισμών ορυκτών κελυφών ή γεωσφαιρών βαθιάς γης, φυσικά, απέχει ακόμα πολύ από την τελική λύση, αλλά νέα πειραματικά αποτελέσματα και ιδέες επεκτείνουν σημαντικά και λεπτομερώς τις αντίστοιχες ιδέες.

Σύμφωνα με τις σύγχρονες απόψεις, η σύνθεση του μανδύα κυριαρχείται από μια σχετικά μικρή ομάδα χημικά στοιχεία: Si, Mg, Fe, Al, Ca και O. Προτεινόμενα Μοντέλα σύνθεσης γεωσφαίραςβασίζονται κυρίως στη διαφορά των αναλογιών αυτών των στοιχείων (διακυμάνσεις Mg / (Mg + Fe) = 0,8-0,9· (Mg + Fe) / Si = 1,2Ρ1,9), καθώς και διαφορές στην περιεκτικότητα σε Al και κάποια άλλα σπανιότερα στοιχεία για βαθιά βράχια. Σύμφωνα με τη χημική και ορυκτολογική σύνθεση, αυτά τα μοντέλα έλαβαν τα ονόματά τους: πυρολιτικό(τα κύρια ορυκτά είναι η ολιβίνη, τα πυροξένια και ο γρανάτης σε αναλογία 4:2:1), πικλογιτικός(τα κύρια ορυκτά είναι το πυροξένιο και ο γρανάτης, ενώ η αναλογία της ολιβίνης μειώνεται στο 40%) και η εκλογιτική, η οποία, μαζί με τη συσχέτιση πυροξενίου-γρανάτη που είναι χαρακτηριστικό των εκλογιτών, περιέχει επίσης μερικά σπανιότερα ορυκτά, ιδίως κυανίτη Al2SiO5 που φέρει Al (πάνω έως 10 % κατά βάρος). Ωστόσο, όλα αυτά τα πετρολογικά μοντέλα αναφέρονται κυρίως σε βράχοι του άνω μανδύαπου εκτείνεται σε βάθη ~670 km. Όσον αφορά τη χύδην σύνθεση βαθύτερων γεωσφαιρών, θεωρείται μόνο ότι η αναλογία των οξειδίων των δισθενών στοιχείων (MO) προς το πυρίτιο (MO/SiO2) ~ 2, όντας πιο κοντά στην ολιβίνη (Mg, Fe) 2SiO4 παρά στο πυροξένιο (Mg , Fe)SiO3 και ορυκτά κυριαρχούν οι φάσεις περοβσκίτη (Mg, Fe)SiO3 με διάφορες δομικές παραμορφώσεις, ο μαγνησιουστίτης (Mg, Fe)O με δομή τύπου NaCl και κάποιες άλλες φάσεις σε πολύ μικρότερες ποσότητες.

Όλα τα προτεινόμενα μοντέλα είναι πολύ γενικευμένα και υποθετικά. Το πυρολιτικό μοντέλο του άνω μανδύα που κυριαρχείται από ολιβίνη υποδηλώνει ότι η χημική του σύνθεση είναι πολύ πιο κοντά σε αυτή ολόκληρου του βαθύτερου μανδύα. Αντίθετα, το πιλογιτικό μοντέλο προϋποθέτει την ύπαρξη κάποιας χημικής αντίθεσης μεταξύ του άνω και του υπόλοιπου μανδύα. Ένα πιο συγκεκριμένο εκλογικό μοντέλο επιτρέπει την παρουσία ξεχωριστών εκλογικών φακών και μπλοκ στον άνω μανδύα.

Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η προσπάθεια εναρμόνισης των δομικών-ορυκτολογικών και γεωφυσικών δεδομένων που σχετίζονται με τον άνω μανδύα. Υποτίθεται για περίπου 20 χρόνια ότι η αύξηση στις ταχύτητες των σεισμικών κυμάτων σε βάθος ~410 km σχετίζεται κυρίως με τη δομική αναδιάταξη της ολιβίνης a-(Mg, Fe)2SiO4 σε wadsleyite b-(Mg, Fe)2SiO4, συνοδεύεται από το σχηματισμό μιας πιο πυκνής φάσης με μεγάλες τιμές των συντελεστών ελαστικότητας. Σύμφωνα με γεωφυσικά δεδομένα, σε τέτοια βάθη στο εσωτερικό της Γης, οι ταχύτητες των σεισμικών κυμάτων αυξάνονται κατά 3-5%, ενώ η δομική αναδιάταξη της ολιβίνης σε wadsleyite (σύμφωνα με τις τιμές των συντελεστών ελαστικότητάς τους) θα πρέπει να συνοδεύεται από αύξηση σε ταχύτητες σεισμικών κυμάτων κατά περίπου 13%. Ταυτόχρονα, τα αποτελέσματα πειραματικών μελετών ολιβίνης και μίγματος ολιβίνης-πυροξενίου σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις αποκάλυψαν πλήρη συμφωνία μεταξύ της υπολογισμένης και της πειραματικής αύξησης των ταχυτήτων σεισμικών κυμάτων στο διάστημα βάθους 200-400 km. Δεδομένου ότι η ολιβίνη έχει περίπου την ίδια ελαστικότητα με τα υψηλής πυκνότητας μονοκλινικά πυρόξενα, αυτά τα δεδομένα θα πρέπει να υποδεικνύουν την απουσία ενός εξαιρετικά ελαστικού γρανάτη στην υποκείμενη ζώνη, η παρουσία του οποίου στον μανδύα θα προκαλούσε αναπόφευκτα μια πιο σημαντική αύξηση στις ταχύτητες των σεισμικών κυμάτων. Ωστόσο, αυτές οι ιδέες για τον μανδύα χωρίς γρανάτη ήρθαν σε σύγκρουση με τα πετρολογικά μοντέλα της σύνθεσής του.

Πίνακας 1. Ορυκτή σύνθεση πυρολίτη (σύμφωνα με τον L. Liu, 1979)

Έτσι, προέκυψε η ιδέα ότι το άλμα στις ταχύτητες σεισμικών κυμάτων σε βάθος 410 km σχετίζεται κυρίως με τη δομική αναδιάταξη των γρανατών πυροξενίου μέσα σε μέρη εμπλουτισμένα με Na του άνω μανδύα. Αυτό το μοντέλο υποθέτει σχεδόν πλήρης απουσίαμεταφορά στον άνω μανδύα, η οποία έρχεται σε αντίθεση με τις σύγχρονες γεωδυναμικές έννοιες. Η υπέρβαση αυτών των αντιφάσεων μπορεί να συσχετιστεί με το πρόσφατα προτεινόμενο πιο ολοκληρωμένο μοντέλο του άνω μανδύα, το οποίο επιτρέπει την ενσωμάτωση ατόμων σιδήρου και υδρογόνου στη δομή του wadsleyite.

Ρύζι. 2. Αλλαγή στις αναλογίες όγκου ορυκτών πυρολίτη με αυξανόμενη πίεση (βάθος), σύμφωνα με τον M. Akaogi (1997). Σύμβολα ορυκτών: Ol - ολιβίνη, Gar - γρανάτης, Cpx - μονοκλινικά πυρόξενα, Opx - ρομβικά πυρόξενα, MS - "τροποποιημένο σπινέλιο", ή wadsleyite (b-(Mg, Fe)2SiO4), Sp - σπινέλιο, Mj - μεζορίτη Mg3 (Fe, Al, Si)2(SiO4)3, Mw - μαγνησιοβουστίτης (Mg, Fe)O, Mg-Pv -Mg-περοβσκίτης, Ca-Pv-Ca-περοβσκίτης, X - πιθανώς Al- φάσεις που περιέχουν δομές όπως ο ιλμενίτης , Ca-φερρίτης ή/και ολλανδίτης

Ενώ η πολυμορφική μετάβαση της ολιβίνης σε βαντλεϊίτη δεν συνοδεύεται από αλλαγή στη χημική σύνθεση, παρουσία γρανάτης, εμφανίζεται μια αντίδραση που οδηγεί στον σχηματισμό βαντσλεϊίτη εμπλουτισμένου σε Fe σε σύγκριση με την αρχική ολιβίνη. Επιπλέον, ο wadsleyite μπορεί να περιέχει σημαντικά περισσότερα άτομα υδρογόνου από την ολιβίνη. Η συμμετοχή των ατόμων Fe και H στη δομή του wadsleyite οδηγεί σε μείωση της ακαμψίας του και, κατά συνέπεια, σε μείωση των ταχυτήτων διάδοσης των σεισμικών κυμάτων που διέρχονται από αυτό το ορυκτό.

Επιπρόσθετα, ο σχηματισμός εμπλουτισμένου με Fe-wadsleyite υποδηλώνει τη συμμετοχή μεγαλύτερης ποσότητας ολιβίνης στην αντίστοιχη αντίδραση, η οποία θα πρέπει να συνοδεύεται από αλλαγή στη χημική σύνθεση των πετρωμάτων κοντά στο τμήμα 410. Οι ιδέες για αυτούς τους μετασχηματισμούς επιβεβαιώνονται από τη σύγχρονη παγκόσμια σεισμικά δεδομένα. Συνολικά, η ορυκτολογική σύνθεση αυτού του τμήματος του άνω μανδύα φαίνεται να είναι λίγο πολύ σαφής. Αν μιλάμε για τη συσχέτιση πυρολιτικών ορυκτών (Πίνακας 1), τότε ο μετασχηματισμός του σε βάθη ~800 km έχει μελετηθεί με αρκετή λεπτομέρεια και συνοψίζεται στο Σχ. 1. 2. Σε αυτή την περίπτωση, το παγκόσμιο σεισμικό όριο σε βάθος 520 km αντιστοιχεί στην αναδιάταξη του wadsleyite b-(Mg, Fe)2SiO4 σε ringwoodite - g-τροποποίηση του (Mg, Fe)2SiO4 με δομή σπινελίου. Ο μετασχηματισμός του γρανάτη πυροξενίου (Mg, Fe)SiO3 Mg3(Fe, Al, Si)2Si3O12 εμφανίζεται στον ανώτερο μανδύα σε ένα ευρύτερο εύρος βάθους. Έτσι, ολόκληρο το σχετικά ομοιογενές κέλυφος στο διάστημα των 400-600 km του άνω μανδύα περιέχει κυρίως φάσεις με δομικούς τύπους γρανάτη και σπινελών.

Όλα τα επί του παρόντος προτεινόμενα μοντέλα για τη σύνθεση των πετρωμάτων του μανδύα επιτρέπουν την περιεκτικότητα σε Al2O3 σε αυτά σε ποσότητα ~4 wt. %, το οποίο επηρεάζει επίσης τις ιδιαιτερότητες των δομικών μετασχηματισμών. Ταυτόχρονα, σημειώνεται ότι σε ορισμένες περιοχές του άνω μανδύα με ετερογενή σύνθεση, το Al μπορεί να συγκεντρωθεί σε ορυκτά όπως το κορούνδιο Al2O3 ή ο κυανίτης Al2SiO5, που σε πιέσεις και θερμοκρασίες που αντιστοιχούν σε βάθη ~450 km, μετασχηματίζεται σε κορούνδιο και στισοβίτη - μια τροποποίηση του SiO2, δομή που περιέχει ένα πλαίσιο οκτάεδρων SiO6. Και τα δύο αυτά ορυκτά διατηρούνται όχι μόνο στον κάτω μανδύα, αλλά και βαθύτερα.

Το σημαντικότερο συστατικό της χημικής σύστασης της ζώνης 400-670 km είναι το νερό, η περιεκτικότητα του οποίου, σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, είναι ~0,1 wt. % και η παρουσία των οποίων συνδέεται κυρίως με πυριτικά Mg. Η ποσότητα νερού που αποθηκεύεται σε αυτό το κέλυφος είναι τόσο σημαντική που στην επιφάνεια της Γης θα αποτελούσε ένα στρώμα πάχους 800 m.

Σύνθεση του μανδύα κάτω από το όριο των 670 km

Οι μελέτες δομικών μεταπτώσεων ορυκτών που πραγματοποιήθηκαν τις τελευταίες δύο ή τρεις δεκαετίες με τη χρήση θαλάμων ακτίνων Χ υψηλής πίεσης κατέστησαν δυνατή τη μοντελοποίηση ορισμένων χαρακτηριστικών της σύνθεσης και της δομής των γεωσφαιρών βαθύτερα από το όριο των 670 km. Στα πειράματα αυτά, ο υπό μελέτη κρύσταλλος τοποθετείται ανάμεσα σε δύο διαμαντένιες πυραμίδες (αμόνι), όταν συμπιέζεται, δημιουργούνται πιέσεις ανάλογες με τις πιέσεις στο εσωτερικό του μανδύα και του πυρήνα της γης. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα πολλά ερωτήματα σχετικά με αυτό το τμήμα του μανδύα, το οποίο αντιπροσωπεύει περισσότερο από το μισό ολόκληρου του εσωτερικού της Γης. Επί του παρόντος, οι περισσότεροι ερευνητές συμφωνούν με την ιδέα ότι όλος αυτός ο βαθύς (κατώτερος με την παραδοσιακή έννοια) μανδύας αποτελείται κυρίως από μια φάση που μοιάζει με περοβσκίτη (Mg,Fe)SiO3, η οποία αντιπροσωπεύει περίπου το 70% του όγκου του (40% του όγκου). ολόκληρης της Γης), και μαγνησιοβιουστίτης (Mg, Fe)O (~20%). Το υπόλοιπο 10% είναι στισοβίτης και φάσεις οξειδίου που περιέχουν Ca, Na, K, Al και Fe, η κρυστάλλωση των οποίων επιτρέπεται στους δομικούς τύπους ιλμενίτη-κορουνδίου (στερεό διάλυμα (Mg, Fe)SiO3-Al2O3), κυβικός περοβσκίτης ( CaSiO3) και Ca-φερρίτης (NaAlSiO4). Ο σχηματισμός αυτών των ενώσεων συνδέεται με διάφορους δομικούς μετασχηματισμούς ορυκτά του άνω μανδύα. Ταυτόχρονα, μία από τις κύριες ορυκτές φάσεις ενός σχετικά ομοιογενούς κελύφους που βρίσκεται στο διάστημα βάθους 410–670 km, ο δακτυλίτης τύπου σπινελίου, μετατρέπεται σε μια ένωση (Mg, Fe)-περοβσκίτη και Mg-wustite στο όριο 670 km, όπου η πίεση είναι ~24 GPa. Ένα άλλο σημαντικό συστατικό της μεταβατικής ζώνης, ένα μέλος της οικογένειας των γρανάτης, ο πυρόπης Mg3Al2Si3O12, υφίσταται μετασχηματισμό με το σχηματισμό του ορθορομβικού περοβσκίτη (Mg, Fe)SiO3 και ενός στερεού διαλύματος κορούνδιο-ιλμενίτη (Mg, Fe)SiO3 - Al2O3 στο κάπως υψηλότερες πιέσεις. Αυτή η μετάβαση σχετίζεται με μια αλλαγή στις ταχύτητες των σεισμικών κυμάτων στη στροφή 850-900 km, που αντιστοιχεί σε ένα από τα ενδιάμεσα σεισμικά όρια. Ο μετασχηματισμός του ανδραδίτη Ca-garnet σε χαμηλότερες πιέσεις ~21 GPa οδηγεί στο σχηματισμό ενός άλλου σημαντικού συστατικού του κατώτερου μανδύα που αναφέρθηκε παραπάνω, του κυβικού Ca-perovskite CaSiO3. Η πολική αναλογία μεταξύ των κύριων ορυκτών αυτής της ζώνης (Mg,Fe) - περοβσκίτης (Mg,Fe)SiO3 και Mg-wustite (Mg, Fe)O ποικίλλει σε αρκετά μεγάλο εύρος και σε βάθος ~1170 km υπό πίεση ~29 GPa και θερμοκρασίες 2000- 2800 0C αλλάζει από 2:1 σε 3:1.

Η εξαιρετική σταθερότητα του MgSiO3 με μια ρομβική δομή περοβσκίτη σε ένα ευρύ φάσμα πιέσεων που αντιστοιχούν στα βάθη του κάτω μανδύα μας επιτρέπει να το θεωρήσουμε ένα από τα κύρια συστατικά αυτής της γεωσφαίρας. Η βάση για αυτό το συμπέρασμα ήταν τα πειράματα, κατά τα οποία δείγματα Mg-perovskite MgSiO3 υποβλήθηκαν σε πίεση 1,3 εκατομμύρια φορές υψηλότερη από την ατμοσφαιρική πίεση και ταυτόχρονα μια δέσμη λέιζερ με θερμοκρασία περίπου 2000 0C εφαρμόστηκε στο δείγμα που τοποθετήθηκε μεταξύ διαμαντιού. αμόνια.

Έτσι, μοντελοποιήθηκαν οι συνθήκες που υπάρχουν σε βάθη ~2800 km, δηλαδή κοντά στο κάτω όριο του κάτω μανδύα. Αποδείχθηκε ότι ούτε κατά τη διάρκεια ούτε μετά το πείραμα το ορυκτό άλλαξε τη δομή και τη σύνθεσή του. Έτσι, ο L. Liu, καθώς και οι E. Nittle και E. Zhanloz κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η σταθερότητα του Mg-perovskite μας επιτρέπει να τον θεωρήσουμε ως το πιο κοινό ορυκτό στη Γη, που αποτελεί, προφανώς, σχεδόν το ήμισυ της μάζας του.

Ο wustite FexO δεν είναι λιγότερο σταθερός, η σύνθεση του οποίου υπό συνθήκες του κάτω μανδύα χαρακτηρίζεται από την τιμή του στοιχειομετρικού συντελεστή 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.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι φάσεις που μοιάζουν με περοβσκίτη που επικρατούν σε μεγάλα βάθη μπορεί να περιέχουν πολύ περιορισμένη ποσότητα Fe, και οι αυξημένες συγκεντρώσεις Fe μεταξύ των ορυκτών της βαθιάς συσχέτισης είναι χαρακτηριστικές μόνο του μαγνησιοβουσίτη. Ταυτόχρονα, για το magnesiowiustite, η δυνατότητα μετάβασης υπό την επίδραση υψηλών πιέσεων ενός μέρους του δισθενούς σιδήρου που περιέχεται σε αυτό σε σίδηρο σιδήρου, ο οποίος παραμένει στη δομή του ορυκτού, με την ταυτόχρονη απελευθέρωση της αντίστοιχης ποσότητας. από ουδέτερο σίδηρο, έχει αποδειχθεί. Με βάση αυτά τα δεδομένα, οι H. Mao, P. Bell και T. Yagi, υπάλληλοι του γεωφυσικού εργαστηρίου του Ινστιτούτου Carnegie, πρότειναν νέες ιδέες για τη διαφοροποίηση της ύλης στα βάθη της Γης. Στο πρώτο στάδιο, λόγω της βαρυτικής αστάθειας, ο μαγνησιοβουστίτης βυθίζεται σε βάθος, όπου, υπό την επίδραση της πίεσης, ένα μέρος του σιδήρου σε ουδέτερη μορφή απελευθερώνεται από αυτόν. Ο υπολειμματικός μαγνησιοβουστίτης, ο οποίος χαρακτηρίζεται από μικρότερη πυκνότητα, ανεβαίνει στα ανώτερα στρώματα, όπου αναμιγνύεται ξανά με φάσεις που μοιάζουν με περοβσκίτη. Η επαφή μαζί τους συνοδεύεται από την αποκατάσταση της στοιχειομετρίας (δηλαδή του ακέραιου λόγου των στοιχείων του χημικού τύπου) του μαγνησιοβιουσίτη και οδηγεί στη δυνατότητα επανάληψης της περιγραφόμενης διαδικασίας. Τα νέα δεδομένα καθιστούν δυνατή την κάπως επέκταση του συνόλου των χημικών στοιχείων που είναι πιθανά για τον βαθύ μανδύα. Για παράδειγμα, η σταθερότητα του μαγνησίτη σε πιέσεις που αντιστοιχούν σε βάθη ~900 km, που δικαιολογείται από τον N. Ross (1997), δείχνει πιθανή παρουσίαάνθρακα στη σύνθεσή του.

Η αναγνώριση μεμονωμένων ενδιάμεσων σεισμικών ορίων που βρίσκονται κάτω από τη γραμμή 670 συσχετίζεται με δεδομένα για δομικούς μετασχηματισμούς ορυκτά του μανδύα, το οποίο μπορεί να λάβει μεγάλη ποικιλία μορφών. Μια απεικόνιση της αλλαγής σε πολλές ιδιότητες διαφόρων κρυστάλλων σε υψηλές τιμές φυσικοχημικών παραμέτρων που αντιστοιχούν στον βαθύ μανδύα μπορεί να είναι, σύμφωνα με τους R. Jeanlose και R. Hazen, η αναδιάρθρωση των ομοιοπολικών δεσμών ιόντος του wuestite που καταγράφηκαν κατά τη διάρκεια πειραμάτων σε πιέσεις 70 gigapascals (GPa) (~1700 km).σε σχέση με τον μεταλλικό τύπο των διατομικών αλληλεπιδράσεων. Το ορόσημο των 1200 μπορεί να αντιστοιχεί στην αναδιάταξη του SiO2 με τη δομή του στισοβίτη στον δομικό τύπο CaCl2 (ρομβικό ανάλογο του ρουτιλίου TiO2) και 2000 km στην επακόλουθη μετατροπή του στη φάση με μια δομή ενδιάμεση μεταξύ a-PbO2 και ZrO2, που χαρακτηρίζεται από μια πιο πυκνή συσκευασία οκτάεδρων πυριτίου-οξυγόνου (δεδομένα από L.S. Dubrovinsky et al.). Επίσης, ξεκινώντας από αυτά τα βάθη (~2000 km), σε πιέσεις 80–90 GPa, επιτρέπεται η αποσύνθεση MgSiO3 που μοιάζει με περοβσκίτη, συνοδευόμενη από αύξηση της περιεκτικότητας σε περικλάση MgO και ελεύθερο πυρίτιο. Σε ελαφρώς υψηλότερη πίεση (~96 GPa) και θερμοκρασία 800 0 C, διαπιστώθηκε εκδήλωση πολυτυπίας στο FeO, που σχετίζεται με το σχηματισμό δομικών θραυσμάτων του τύπου NiAs νικελίνης, εναλλασσόμενα με περιοχές κατά του νικελίου, στις οποίες άτομα Fe βρίσκονται στις θέσεις των ατόμων As, και των ατόμων O - στις θέσεις των ατόμων Ni. Κοντά στο όριο D", λαμβάνει χώρα ο μετασχηματισμός του Al2O3 με τη δομή του κορουνδίου σε φάση με τη δομή Rh2O3, η οποία μοντελοποιείται πειραματικά σε πιέσεις ~100 GPa, δηλαδή σε βάθος ~2200–2300 km. "Η μετάβαση από υψηλή περιστροφή (HS) στην κατάσταση χαμηλής περιστροφής (LS) των ατόμων Fe στη δομή του μαγνησίου-βυσίτη, δηλαδή μια αλλαγή στην ηλεκτρονική τους δομή. Από αυτή την άποψη, θα πρέπει να τονιστεί ότι η δομή του wuestite FeO σε υψηλή πίεση χαρακτηρίζεται από μη στοιχειομετρία σύνθεσης, ελαττώματα ατομικής συσκευασίας, πολυτύπο και αλλαγή στη μαγνητική σειρά που σχετίζεται με αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή (HS => LS - μετάβαση ) ατόμων Fe. Τα σημειωμένα χαρακτηριστικά μας επιτρέπουν να θεωρήσουμε τον wustite ως ένα από τα πιο σύνθετα ορυκτά με ασυνήθιστες ιδιότητες που καθορίζουν τις ιδιαιτερότητες των βαθιών ζωνών της Γης που είναι εμπλουτισμένες με αυτόν κοντά στο όριο D.

Ρύζι. 3. Τετραγωνική δομή του Fe7S-πιθανού συστατικού του εσωτερικού (συμπαγούς) πυρήνα, σύμφωνα με το D.M. Sherman (1997)

Σεισμολογικές μετρήσεις δείχνουν ότι τόσο ο εσωτερικός (στερεός) όσο και ο εξωτερικός (υγρός) πυρήνας της Γης χαρακτηρίζονται από χαμηλότερη πυκνότητα σε σύγκριση με την τιμή που προκύπτει με βάση ένα μοντέλο πυρήνα που αποτελείται μόνο από μεταλλικό σίδηρο με τις ίδιες φυσικοχημικές παραμέτρους. Οι περισσότεροι ερευνητές αποδίδουν αυτή τη μείωση της πυκνότητας στην παρουσία στον πυρήνα στοιχείων όπως Si, O, S και ακόμη και O, τα οποία σχηματίζουν κράματα με τον σίδηρο. Μεταξύ των φάσεων που είναι πιθανές για τέτοιες «φαουστιανές» φυσικοχημικές συνθήκες (πίεση ~250 GPa και θερμοκρασίες 4000-6500 0С), το Fe3S με τον γνωστό δομικό τύπο Cu3Au και Fe7S, η δομή του οποίου φαίνεται στο Σχ. 3. Μια άλλη φάση που υποτίθεται ότι βρίσκεται στον πυρήνα είναι το b-Fe, η δομή του οποίου χαρακτηρίζεται από μια στενή συσκευασία τεσσάρων στρωμάτων ατόμων Fe. Η θερμοκρασία τήξης αυτής της φάσης υπολογίζεται στους 5000 0C σε πίεση 360 GPa. Η παρουσία υδρογόνου στον πυρήνα ήταν αμφιλεγόμενη για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω της χαμηλής διαλυτότητάς του στο σίδηρο σε ατμοσφαιρική πίεση. Ωστόσο, πρόσφατα πειράματα (δεδομένα από τους J. Badding, H. Mao και R. Hamley (1992)) κατέστησαν δυνατό να διαπιστωθεί ότι υδρίδιο του σιδήρουΤο FeH μπορεί να σχηματιστεί σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις και είναι σταθερό σε πιέσεις άνω των 62 GPa, που αντιστοιχεί σε βάθη ~1600 km. Από αυτή την άποψη, η παρουσία σημαντικών ποσοτήτων (έως 40 mol.%) υδρογόνοστον πυρήνα είναι αρκετά αποδεκτό και μειώνει την πυκνότητά του σε τιμές που συνάδουν με τα σεισμολογικά δεδομένα.

Μπορεί να προβλεφθεί ότι νέα δεδομένα για δομικές αλλαγές σε ορυκτές φάσεις σε μεγάλα βάθη θα καταστήσουν δυνατή την εύρεση μιας κατάλληλης ερμηνείας άλλων σημαντικών γεωφυσικών ορίων που είναι σταθερά στα έγκατα της Γης. Το γενικό συμπέρασμα είναι ότι σε παγκόσμια σεισμικά όρια όπως τα 410 και 670 km, υπάρχουν σημαντικές αλλαγές στη σύνθεση των ορυκτών. βράχοι μανδύα. Μετασχηματισμοί ορυκτών σημειώνονται επίσης σε βάθη ~850, 1200, 1700, 2000 και 2200-2300 km, δηλαδή εντός του κατώτερου μανδύα. Αυτή είναι μια πολύ σημαντική περίσταση που καθιστά δυνατή την εγκατάλειψη της ιδέας της ομοιογενούς δομής του.

Μέχρι τη δεκαετία του '80 του 20ου αιώνα, οι σεισμολογικές μελέτες που χρησιμοποιούν τις μεθόδους διαμήκων και εγκάρσιων σεισμικών κυμάτων, ικανών να διεισδύσουν σε ολόκληρο τον όγκο της Γης και επομένως ονομάζονται ογκομετρικές, σε αντίθεση με τις επιφανειακές, που κατανέμονται μόνο στην επιφάνειά της. αποδείχθηκαν τόσο σημαντικές που κατέστησαν δυνατή τη σύνταξη χαρτών σεισμικών ανωμαλιών για διαφορετικά επίπεδα του πλανήτη. Θεμελιώδεις εργασίες στον τομέα αυτό πραγματοποιήθηκε από τον Αμερικανό σεισμολόγο A. Dzevonsky και τους συνεργάτες του.

Στο σχ. Το 4 δείχνει δείγματα παρόμοιων χαρτών από μια σειρά που δημοσιεύτηκε το 1994, αν και οι πρώτες δημοσιεύσεις εμφανίστηκαν 10 χρόνια νωρίτερα. Η εργασία παρουσιάζει 12 χάρτες για βαθιές τομές της Γης στην περιοχή από 50 έως 2850 km, δηλαδή καλύπτοντας σχεδόν ολόκληρο τον μανδύα. Σε αυτούς τους πιο ενδιαφέροντες χάρτες είναι εύκολο να δει κανείς ότι το σεισμικό σχέδιο είναι διαφορετικό σε διαφορετικά επίπεδα βάθους. Αυτό φαίνεται από τις περιοχές και τα περιγράμματα κατανομής. σεισμικές ανώμαλες περιοχές, τα χαρακτηριστικά των μεταβάσεων μεταξύ τους και, γενικά, η γενική εμφάνιση των καρτών. Μερικά από αυτά διακρίνονται από μεγάλη ποικιλομορφία και αντίθεση στην κατανομή περιοχών με διαφορετικές ταχύτητες σεισμικών κυμάτων (Εικ. 5), ενώ άλλα παρουσιάζουν πιο ομαλές και απλούστερες σχέσεις μεταξύ τους.

Την ίδια χρονιά, 1994, εκδόθηκε μια παρόμοια εργασία από Ιάπωνες γεωφυσικούς. Περιέχει 14 χάρτες για επίπεδα από 78 έως 2900 km. Και στις δύο σειρές χαρτών, η ετερογένεια του Ειρηνικού είναι σαφώς ορατή, η οποία, αν και αλλάζει στο περίγραμμα, μπορεί να εντοπιστεί μέχρι τον πυρήνα της γης. Πέρα από αυτή τη μεγάλη ανομοιογένεια, το σεισμικό σχέδιο γίνεται πιο περίπλοκο, αλλάζει σημαντικά όταν μετακινείται από το ένα επίπεδο στο άλλο. Όμως, ανεξάρτητα από το πόσο σημαντική είναι η διαφορά μεταξύ αυτών των χαρτών, υπάρχουν ομοιότητες μεταξύ ορισμένων από αυτούς. Εκφράζονται σε κάποια ομοιότητα στην τοποθέτηση θετικών και αρνητικών σεισμικών ανωμαλιών στο χώρο και, τελικά, στα γενικά χαρακτηριστικά της βαθιάς σεισμικής δομής. Αυτό καθιστά δυνατή την ομαδοποίηση τέτοιων χαρτών, γεγονός που καθιστά δυνατή τη διάκριση ενδομυϊκών κελυφών διαφορετικών σεισμικών προτύπων. Και αυτό το έργο έχει γίνει. Με βάση την ανάλυση των χαρτών από Ιάπωνες γεωφυσικούς, αποδείχθηκε ότι ήταν δυνατό να προταθεί μια πολύ πιο κλασματική τη δομή του μανδύα της γηςφαίνεται στο σχ. 5 σε σύγκριση με το συμβατικό μοντέλο κελύφους γης.

Υπάρχουν δύο βασικά νέες διατάξεις:

Πώς συσχετίζονται τα προτεινόμενα όρια των βαθιών γεωσφαιρών με τα σεισμικά όρια που είχαν απομονώσει προηγουμένως οι σεισμολόγοι; Η σύγκριση δείχνει ότι το κάτω όριο του μεσαίου μανδύα συσχετίζεται με το όριο του 1700, η ​​παγκόσμια σημασία του οποίου τονίζεται στο έργο. Το άνω όριο του αντιστοιχεί περίπου στις γραμμές 800-900. Όσον αφορά τον άνω μανδύα, δεν υπάρχουν αποκλίσεις εδώ: το κάτω όριο του αντιπροσωπεύεται από το όριο 670 και το ανώτερο από το όριο Mohorovichic. Ας δώσουμε ιδιαίτερη προσοχή στην αβεβαιότητα του άνω ορίου του κάτω μανδύα. Κατά τη διάρκεια περαιτέρω μελετών, μπορεί να αποδειχθεί ότι τα πρόσφατα σεισμικά όρια του 1900 και του 2000 που περιγράφηκαν πρόσφατα θα επιτρέψουν να γίνουν προσαρμογές στο πάχος του. Έτσι, τα αποτελέσματα της σύγκρισης μαρτυρούν την εγκυρότητα του προτεινόμενου νέου μοντέλου της δομής του μανδύα.

συμπέρασμα

Η μελέτη της βαθιάς δομής της Γης είναι ένας από τους μεγαλύτερους και σημαντικότερους τομείς των γεωλογικών επιστημών. Νέος στρωματοποίηση μανδύαΗ Γη μας επιτρέπει να προσεγγίσουμε το σύνθετο πρόβλημα της γεωδυναμικής των βαθιών πολύ λιγότερο σχηματικά από πριν. Η διαφορά στα σεισμικά χαρακτηριστικά των κελυφών της γης ( γεωσφαίρες), αντανακλώντας τη διαφορά στις φυσικές τους ιδιότητες και τη σύνθεση ορυκτών, δημιουργεί ευκαιρίες για μοντελοποίηση γεωδυναμικών διεργασιών σε καθεμία από αυτές ξεχωριστά. Οι γεωσφαίρες με αυτή την έννοια, όπως είναι πλέον ξεκάθαρο, έχουν μια ορισμένη αυτονομία. Ωστόσο, αυτό το εξαιρετικά σημαντικό θέμα ξεφεύγει από το πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου. Η περαιτέρω ανάπτυξη της σεισμικής τομογραφίας, καθώς και κάποιων άλλων γεωφυσικών μελετών, καθώς και η μελέτη της ορυκτής και χημικής σύστασης των βάθους, θα εξαρτηθεί από πολύ πιο τεκμηριωμένες κατασκευές σχετικά με τη σύνθεση, τη δομή, τη γεωδυναμική και την εξέλιξη της Γης. ένα ολόκληρο.

Βιβλιογραφία

γεωτιμές. 1994 Vol. 39, Νο. 6. Σ. 13-15.

Ross A. The Earths Mantle Remodeled // Nature. 1997 Vol. 385, αρ. 6616. Σ. 490.

Thompson A.B. Νερό στον Άνω Μανδύα του EarthXs // Φύση. 1992 Vol. 358, Νο. 6384. Σ. 295-302.

Pushcharovsky D.Yu. Βαθιά ορυκτά της Γης // Priroda. 1980. Ν 11. S. 119-120.

Su W., Woodward R.L., Dziewonski A.M. Βαθμός 12 Model of Shear Velocity Heterogeneity in the Mantle // J. Geophys. Res. 1994 Vol. 99, Ν Β4. Σ. 6945-6980.

J. Geol. soc. Ιαπωνία. 1994 Vol. 100, Νο. 1. Ρ. VI-VII.

Pushcharovsky Yu.M. Σεισμική τομογραφία και δομή μανδύα: Τεκτονική προοπτική // Doklady AN. 1996. Τ. 351, Ν 6. S. 805-809.

Ο μανδύας περιέχει το μεγαλύτερο μέρος της γήινης ύλης. Ο μανδύας βρίσκεται και σε άλλους πλανήτες. Ο μανδύας της γης κυμαίνεται από 30 έως 2.900 km.

Μέσα στα όριά του, σύμφωνα με σεισμικά δεδομένα, διακρίνονται τα εξής: το ανώτερο στρώμα του μανδύα ΣΤΟέως 400 χλμ. βάθος και ΑΠΟέως 800-1000 km (ορισμένοι ερευνητές στρώμα ΑΠΟονομάζεται μεσαίος μανδύας). κάτω στρώμα μανδύα Δ πρινβάθος 2700 με μεταβατικό στρώμα Δ1από 2700 έως 2900 χλμ.

Το όριο μεταξύ του φλοιού και του μανδύα είναι το όριο Mohorovich, ή Moho για συντομία. Υπάρχει μια απότομη αύξηση των σεισμικών ταχυτήτων σε αυτό - από 7 σε 8-8,2 km / s. Αυτό το όριο βρίσκεται σε βάθος 7 (κάτω από τους ωκεανούς) έως 70 χιλιόμετρα (κάτω από τις ζώνες αναδίπλωσης). Ο μανδύας της Γης χωρίζεται στον άνω μανδύα και στον κάτω μανδύα. Το όριο μεταξύ αυτών των γεωσφαιρών είναι το στρώμα Golitsyn, που βρίσκεται σε βάθος περίπου 670 km.

Η δομή της Γης σύμφωνα με διάφορους ερευνητές

Η διαφορά στη σύνθεση του φλοιού και του μανδύα της γης είναι συνέπεια της προέλευσής τους: η αρχικά ομοιογενής Γη, ως αποτέλεσμα μερικής τήξης, χωρίστηκε σε ένα εύτηκτο και ελαφρύ μέρος - τον φλοιό και έναν πυκνό και πυρίμαχο μανδύα.

Πηγές πληροφοριών για τον μανδύα

Ο μανδύας της Γης είναι απροσπέλαστος για άμεση έρευνα: δεν φτάνει στην επιφάνεια της γης και δεν έχει φτάσει με βαθιά γεώτρηση. Ως εκ τούτου, οι περισσότερες πληροφορίες για τον μανδύα έχουν ληφθεί με γεωχημικές και γεωφυσικές μεθόδους. Τα δεδομένα για τη γεωλογική του δομή είναι πολύ περιορισμένα.

Ο μανδύας μελετάται σύμφωνα με τα ακόλουθα δεδομένα:

• γεωφυσικά δεδομένα. Πρώτα απ 'όλα, δεδομένα για τις ταχύτητες σεισμικών κυμάτων, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και τη βαρύτητα.
• Λιώματα μανδύα - βασάλτες, κοματίτες, κιμπερλίτες, λαμπροΐτες, ανθρακίτες και ορισμένα άλλα πυριγενή πετρώματα σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της μερικής τήξης του μανδύα. Η σύσταση του τήγματος είναι συνέπεια της σύστασης των λιωμένων πετρωμάτων, του ιντερανισμού της τήξης και των φυσικοχημικών παραμέτρων της διαδικασίας τήξης. Γενικά η ανακατασκευή της πηγής από το τήγμα είναι δύσκολη υπόθεση.
• Θραύσματα πετρωμάτων του μανδύα που έφεραν στην επιφάνεια τήγματα μανδύα - κιμπερλίτες, αλκαλικοί βασάλτες κ.λπ. Πρόκειται για ξενόλιθους, ξενοκρύστες και διαμάντια. Τα διαμάντια κατέχουν ιδιαίτερη θέση ανάμεσα στις πηγές πληροφοριών για τον μανδύα. Στα διαμάντια βρίσκονται τα βαθύτερα ορυκτά, τα οποία μπορεί ακόμη και να προέρχονται από τον κάτω μανδύα. Σε αυτή την περίπτωση, αυτά τα διαμάντια αντιπροσωπεύουν τα βαθύτερα κομμάτια της γης που είναι διαθέσιμα για άμεση μελέτη.
• Βράχοι μανδύα στη σύνθεση του φλοιού της γης. Τέτοια συμπλέγματα είναι πιο συνεπή με τον μανδύα, αλλά και διαφέρουν από αυτόν. Η πιο σημαντική διαφορά έγκειται στο ίδιο το γεγονός ότι βρίσκονται στη σύνθεση του φλοιού της γης, από το οποίο προκύπτει ότι σχηματίστηκαν ως αποτέλεσμα όχι πολύ συνηθισμένων διεργασιών και, ίσως, δεν αντικατοπτρίζουν τον τυπικό μανδύα. Εμφανίζονται στις ακόλουθες γεωδυναμικές ρυθμίσεις:

1. Οι υπερβασίτες αλπικού τύπου είναι μέρη του μανδύα που είναι ενσωματωμένα στον φλοιό της γης ως αποτέλεσμα της οικοδόμησης βουνών. Συνηθέστερα στις Άλπεις, από όπου προέρχεται το όνομα.
2. Οφιολιθικοί υπερβασίτες - περδοτίτες στη σύνθεση οφιολιθικών συμπλεγμάτων - τμήματα του αρχαίου ωκεάνιου φλοιού.
3. Οι αβυσσαλέοι περιδοτίτες είναι προβολές πετρωμάτων του μανδύα στον πυθμένα των ωκεανών ή ρωγμών.

Αυτά τα συμπλέγματα έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να παρατηρηθούν σε αυτά γεωλογικές σχέσεις μεταξύ διαφορετικών πετρωμάτων.

Πρόσφατα ανακοινώθηκε ότι Ιάπωνες εξερευνητές σχεδιάζουν να επιχειρήσουν να τρυπήσουν στον ωκεάνιο φλοιό μέχρι τον μανδύα. Για αυτό κατασκευάστηκε το πλοίο Chikyu. Η έναρξη των γεωτρήσεων έχει προγραμματιστεί για το 2007.

Το κύριο μειονέκτημα των πληροφοριών που λαμβάνονται από αυτά τα θραύσματα είναι η αδυναμία δημιουργίας γεωλογικών σχέσεων μεταξύ διαφορετικών τύπων πετρωμάτων. Αυτά είναι κομμάτια παζλ. Όπως είπε ο κλασικός, «ο προσδιορισμός της σύνθεσης του μανδύα από ξενολίθους θυμίζει προσπάθειες προσδιορισμού γεωλογική δομήβουνά στα βότσαλα που έβγαλε το ποτάμι από πάνω τους.

Σύνθεση του μανδύα

Ο μανδύας αποτελείται κυρίως από υπερβασικά πετρώματα: περιδοτίτες, (λερζολίτες, χαρζβουργίτες, βερλίτες, πυροξενίτες), δουνίτες και, σε μικρότερο βαθμό, βασικά πετρώματα - εκλογίτες.

Επίσης, μεταξύ των πετρωμάτων του μανδύα, έχουν εντοπιστεί σπάνιες ποικιλίες πετρωμάτων που δεν βρίσκονται στον φλοιό της γης. Πρόκειται για διάφορους φλογόπιτες περιδοτίτες, γροσπιδίτες και καρβονατίτες.

Η δομή του μανδύα

Οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στον μανδύα έχουν τον πιο άμεσο αντίκτυπο στον φλοιό της γης και στην επιφάνεια της γης, είναι η αιτία της κίνησης των ηπείρων, ο ηφαιστειασμός, οι σεισμοί, η οικοδόμηση βουνών και ο σχηματισμός κοιτασμάτων μεταλλεύματος. Υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι ο ίδιος ο μανδύας επηρεάζεται ενεργά από τον μεταλλικό πυρήνα του πλανήτη.

Συναγωγή και λοφία

Βιβλιογραφία

• Pushcharovsky D.Yu., Pushcharovsky Yu.M.Σύνθεση και δομή του μανδύα της Γης // Soros Educational Journal, 1998, No 11, p. 111–119.
• Kovtun A.A. Electrical conductivity of the Earth // Soros Educational Journal, 1997, No 10, p. 111–117

Πηγή: Koronovsky N.V., Yakushova A.F. «Βασικές αρχές της Γεωλογίας», Μ., 1991

Συνδέσεις

• Εικόνες του φλοιού της γης & του ανώτερου μανδύα // International Geological Correlation Program (IGCP), Project 474

> Από τι αποτελείται η Γη;

εσωτερικός δομή της γης. Μελετήστε τη δομή του πλανήτη: φλοιός, πυρήνας, μανδύας, από ποια χημικά στοιχεία αποτελείται η Γη, ιστορία της έρευνας, γεωλογία.

Η γη είναι περισσότερα από όσα μπορούμε να δούμε από τη δική μας σκοπιά. Αν ήταν δυνατό να το κόψετε στη μέση, τότε θα εκπλαγείτε πολύ. Σπεύδουμε να αναζητήσουμε νέους κόσμους, αλλά ακόμα δεν γνωρίζουμε πολλά για τους δικούς μας.

Όμως η σεισμολογία κατάφερε να ανοίξει τη δομή της Γης και να δείξει τα στρώματα. Το καθένα είναι προικισμένο με τις δικές του ιδιότητες, χαρακτηριστικά και σύνθεση. Και όλα αυτά επηρεάζουν τις διαδικασίες της γης. Από τι είναι φτιαγμένη η γη;

Σύγχρονη θεωρία

Ο εσωτερικός χώρος του πλανήτη διαφοροποιείται. Δηλαδή, η δομή (όπως και οι υπόλοιποι πλανήτες) αντιπροσωπεύεται από στρώματα. Αφαιρέστε το ένα και θα μεταφερθείτε στο επόμενο. Και το καθένα θα έχει τη δική του θερμοκρασία και χημική σύσταση.

Η κατανόησή μας για τα στρώματα του πλανήτη βασίζεται στα αποτελέσματα της σεισμολογικής παρακολούθησης. Περιλαμβάνει τη μελέτη των ηχητικών κυμάτων που δημιουργούνται από έναν σεισμό, καθώς και μια ανάλυση του τρόπου με τον οποίο η διέλευση από διαφορετικά στρώματα επιβραδύνει το ρυθμό τους. Οι αλλαγές στη σεισμική ταχύτητα οδηγούν σε διάθλαση.

Χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μετασχηματισμούς σε βαρυτικά και μαγνητικά πεδία και πειράματα με κρυσταλλικά στερεά που προσομοιώνουν την πίεση και τη θερμοκρασία στο εσωτερικό του πλανήτη.

Ερευνα

Ακόμη και στην αρχαιότητα, η ανθρωπότητα προσπάθησε να καταλάβει τη σύνθεση της Γης. Οι πρώτες προσπάθειες δεν είχαν καν σχέση με την επιστήμη. Αυτοί ήταν μάλλον θρύλοι και μύθοι που συνδέονταν με θεϊκή παρέμβαση. Ωστόσο, αρκετές θεωρίες έχουν κυκλοφορήσει στον πληθυσμό.

Ίσως έχετε ακούσει για την επίπεδη γη. Αυτή η άποψη ήταν κοινή στον πολιτισμό της Μεσοποταμίας. Ο πλανήτης απεικονίστηκε ως ένας επίπεδος δίσκος που οργώνει τον ωκεανό. Οι Μάγια το θεωρούσαν επίσης επίπεδο, αλλά στις γωνίες υπήρχαν τέσσερα τζάγκουαρ που κρατούσαν τον ουρανό. Οι Πέρσες είδαν το κοσμικό βουνό, ενώ οι Κινέζοι ως τετράπλευρο κύβο.

Τον 6ο αιώνα π.Χ μι. οι Έλληνες έτειναν προς στρογγυλεμένο σχήμα, και τον 3ο αιώνα π.Χ. μι. η ιδέα μιας σφαιρικής Γης κέρδιζε έδαφος κάτω από τα πόδια και η πρώτη βάση αποδεικτικών στοιχείων. Την ίδια στιγμή, οι επιστήμονες αρχίζουν να έρχονται σε επαφή με τη γεωλογική έρευνα και οι φιλόσοφοι αρχίζουν να εξετάζουν τα ορυκτά και τα μέταλλα.

Αλλά η πραγματική μετατόπιση έγινε μόνο τον 16ο και 17ο αιώνα. Ο Edmund Halley πρότεινε τη θεωρία της «Κενής Γης» το 1692. Πίστευε ότι υπάρχει μια κοιλότητα μέσα, δηλαδή ένας συγκεκριμένος πυρήνας, του οποίου το πάχος είναι 800 km.

Μεταξύ αυτών των σφαιρών υπάρχει ένα κενό αέρα. Για να αποφευχθεί η επίδραση της τριβής, η εσωτερική σφαίρα πρέπει να συγκρατείται στη θέση της λόγω της βαρύτητας. Το μοντέλο εμφάνιζε δύο ομόκεντρα κελύφη γύρω από τον πυρήνα. Η διάμετρος αντιστοιχούσε στον Ερμή, την Αφροδίτη και τον Άρη.

Το Halley βασίστηκε στις πυκνότητες της Σελήνης και της Γης που προτάθηκαν από τον Isaac Newton το 1687. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες αποφάσισαν να εξετάσουν την αξιοπιστία της Βίβλου. Ήταν σημαντικό για τους ερευνητές να υπολογίσουν την πραγματική ηλικία του πλανήτη και να βρουν στοιχεία για μια πλημμύρα. Εδώ άρχισαν να εξετάζουν τα απολιθώματα και να αναπτύσσουν ένα σύστημα ταξινόμησης της χρονολόγησης των στρωμάτων.

Το 1774, ο Αβραάμ Βέρνερ παρουσίασε στα γραπτά του λεπτομερές σύστηματαυτοποίηση ορισμένων ορυκτών με βάση τα εξωτερικά χαρακτηριστικά τους.

Το 1741, η πρώτη θέση στη γεωλογία εμφανίστηκε στο Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας της Γαλλίας. Μετά από 10 χρόνια άρχισε να χρησιμοποιείται ο όρος «γεωλογία».

Στη δεκαετία του 1770 οι χημικές αναλύσεις έρχονται στο προσκήνιο στην έρευνα. Ένα από τα σημαντικά καθήκοντα ήταν η μελέτη θέσεων για την παρουσία πλημμυρών υγρών στο παρελθόν (πλημμύρα). Στη δεκαετία του 1780 Υπήρχαν εκείνοι που πίστευαν ότι τα στρώματα δεν δημιουργήθηκαν λόγω νερού, αλλά λόγω φωτιάς. Οι οπαδοί ονομάζονταν πλουτωνιστές. Πίστευαν ότι ο πλανήτης σχηματίστηκε λόγω της στερεοποίησης λιωμένων μαζών. Και όλα αυτά έγιναν πολύ αργά. Αυτό υπονοούσε ότι ο πλανήτης ήταν πολύ παλαιότερος από ό,τι έλεγε η Βίβλος.

Τον 19ο αιώνα, η γεωλογία επηρεάστηκε σε μεγάλο βαθμό από τη βιομηχανική επανάσταση, καθώς και η έννοια της στρωματογραφικής στήλης - οι βραχώδεις σχηματισμοί διατάσσονται με τη σειρά της εμφάνισής τους στο χρόνο. Οι επιστήμονες άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι η ηλικία των απολιθωμάτων μπορεί να υπολογιστεί γεωλογικά (όσο πιο βαθιά βρίσκονται, τόσο πιο παλιά).

Οι ερευνητές είχαν την ευκαιρία να κάνουν ταξίδια για να διευρύνουν τους ορίζοντές τους και να συγκρίνουν ευρήματα σε διαφορετικά μέρη. Μεταξύ αυτών των τυχερών ήταν ο Κάρολος Δαρβίνος, που είχε στρατολογηθεί από τον καπετάνιο του πλοίου Beagle.

Τα γιγάντια απολιθώματα που βρήκε τον έκαναν γεωλόγο και οι θεωρίες του σχετικά με τα αίτια της εξαφάνισης οδήγησαν στο πιο σημαντικό έργο, On the Origin of Species, που γράφτηκε το 1859.

Οι επιστήμονες αύξησαν τις γνώσεις τους και δημιούργησαν γεωλογικούς χάρτες της Γης. Υπολόγισαν ήδη την ηλικία της γης με όρους εκατομμυρίων, όχι χιλιοστών. Αλλά η ανάπτυξη της τεχνολογίας βοήθησε να μετατοπιστούν τα απομεινάρια των δογματικών ιδεών.

Τον 20ο αιώνα εμφανίστηκε η ραδιομετρική χρονολόγηση. Τότε νόμιζαν ότι η πλανητική ηλικία φτάνει τα 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Το 1912, ο Alfred Wegener πρότεινε τη θεωρία της ηπειρωτικής μετατόπισης. Κάποτε δηλαδή όλες οι ήπειροι ήταν μία. Αυτό επιβεβαιώθηκε αργότερα από τη γεωλογική ανάλυση των δειγμάτων.

Η θεωρία της τεκτονικής πλακών προήλθε από τη μελέτη του πυθμένα του ωκεανού. Τα γεωφυσικά δεδομένα δείχνουν την πλευρική κίνηση των ηπείρων και ο ωκεάνιος φλοιός είναι νεότερος από τον ηπειρωτικό.

Τον 20ο αιώνα αναπτύχθηκε ενεργά η σεισμολογία, η μελέτη των σεισμών και το πέρασμα των κυμάτων από τη Γη. Αυτό είναι που βοήθησε να κατανοήσουμε τη σύνθεση και να φτάσουμε στον πυρήνα.

Το 1926, ο Harold Jeffis δήλωσε ότι ο πυρήνας της γης ήταν υγρός και το 1937, ο Inge Lehmann επέκτεινε αυτή τη θεωρία προσθέτοντας ότι υπήρχε ένα στερεό στερεό μέσα στον υγρό πυρήνα.

Στρώματα γης

Η γη μπορεί να χωριστεί μηχανικά ή χημικά. Η πρώτη μέθοδος μελετά τις υγρές καταστάσεις. Εδώ εμφανίζεται η λιθόσφαιρα, η ασθενόσφαιρα και η μεσόσφαιρα, ο εξωτερικός και ο εσωτερικός πυρήνας. Αλλά η χημική μέθοδος, η οποία ανακάλυψε τον φλοιό, τον μανδύα και τον πυρήνα, κέρδισε μεγάλη δημοτικότητα.

Ο εσωτερικός πυρήνας είναι στερεός και ο εξωτερικός υγρός. Ο κάτω μανδύας είναι υπό ισχυρή πίεση και επομένως έχει χαμηλότερο ιξώδες από τον άνω. Όλες οι διαφορές προκαλούνται από τις διαδικασίες που συνοδεύουν την πλανητική ανάπτυξη κατά τη διάρκεια 4,5 δισεκατομμυρίων ετών. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά εσωτερική δομήΓη.

Φλοιός

Αυτό είναι το εξωτερικό, ψυχρό και παγωμένο στρώμα. Εκτείνεται σε 570 km και αντιπροσωπεύει μόνο το 1% του πλανητικού όγκου.

Τα στενότερα μέρη είναι ο ωκεάνιος φλοιός που βρίσκεται κάτω από τις ωκεάνιες λεκάνες (5-10 km) και το πιο πυκνό τμήμα είναι ο ηπειρωτικός φλοιός. Το άνω μέρος του μανδύα και του φλοιού της γης είναι η λιθόσφαιρα, που καλύπτει 200 ​​km. Οι περισσότεροι από τους βράχους σχηματίστηκαν πριν από 100 εκατομμύρια χρόνια.

Άνω μανδύας

Καταλαμβάνει το 84% του όγκου και φαίνεται κυρίως στερεό, αλλά μερικές φορές συμπεριφέρεται σαν παχύρρευστο υγρό. Ξεκινά από την «Επιφάνεια Mohorovicic» - 7-35 km και βαθαίνει στα 410 km.

Η κίνηση στον μανδύα αντανακλάται στην κίνηση των τεκτονικών πλακών. Η διαδικασία οδηγείται από τη θερμότητα από τα βάθη. Αυτό είναι που οδηγεί σε σεισμούς και σχηματισμό οροσειρών.

Η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 500-900°C. Το στρώμα σε βάθος 410-660 km θεωρείται μεταβατική ζώνη.

κάτω μανδύας

Η θερμοκρασία σε βάθος 660-2891 km μπορεί να φτάσει τους 4000°C. Αλλά η πίεση εδώ είναι πολύ ισχυρή, επομένως το ιξώδες και η τήξη είναι περιορισμένα. Λίγα είναι γνωστά για αυτό το στρώμα, αλλά πιστεύεται ότι είναι σεισμικά ομοιογενές.

εξωτερικός πυρήνας

Πρόκειται για ένα υγρό κέλυφος με πάχος 2300 km και σε ακτίνα καλύπτει 3400 km. Εδώ η πυκνότητα είναι πολύ μεγαλύτερη - 9900-12200 kg / m 3. Πιστεύεται ότι ο πυρήνας αντιπροσωπεύεται από 80% σίδηρο, καθώς και από νικέλιο και άλλα ελαφριά στοιχεία. Δεν υπάρχει ισχυρή πίεση, επομένως δεν σκληραίνει, αν και η σύνθεση μοιάζει με τον εσωτερικό πυρήνα. Θερμοκρασία - 4030 ° С.

Στον υγρό πυρήνα, λόγω θερμοκρασίας και αναταράξεων, δημιουργείται ένα δυναμό που επηρεάζει το μαγνητικό πεδίο.

εσωτερικός πυρήνας

Ποια στοιχεία αποτελούν τον πυρήνα της Γης; Αντιπροσωπεύεται από σίδηρο και νικέλιο και σε ακτίνα καλύπτει 1220 km. Πυκνότητα - 12600-13000 kg / m 3, που υποδηλώνει την παρουσία βαρέων στοιχείων (πλατίνα, χρυσός, παλλάδιο, βολφράμιο και ασήμι).

Η θερμοκρασία εδώ ανεβαίνει στους 5400°C. Γιατί τα στερεά μέταλλα παραμένουν υγρά; Γιατί το σημείο τήξης είναι εξαιρετικά υψηλό, όπως και η πίεση. Εσωτερικά, δεν συνδέεται στενά με τον συμπαγή μανδύα, επομένως πιστεύεται ότι περιστρέφεται πιο γρήγορα από τον ίδιο τον πλανήτη.

Υπάρχει επίσης η άποψη ότι ο εσωτερικός πυρήνας έχει επίσης στρώματα που χωρίζονται από μια ζώνη μετάβασης με πάχος 250-400 km. Το χαμηλότερο στρώμα μπορεί να εκτείνεται σε διάμετρο 1180 km. Οι επιστήμονες μαρτυρούν τη δυναμική, λόγω της οποίας ο πυρήνας διαστέλλεται κατά 1 mm ετησίως.

Όπως μπορείτε να δείτε, ο πλανήτης μας είναι ένα καταπληκτικό και γεμάτο μυστήρια μέρος. Ακόμα κρύβεται η θερμότητα που συσσωρεύτηκε πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Και αυτό δεν είναι ένα νεκρό σώμα, αλλά ένα δυναμικό αντικείμενο που αλλάζει συνεχώς.

Δεν υπάρχουν πρακτικά άμεσα δεδομένα για τη σύσταση υλικού βαθιών ζωνών. Τα συμπεράσματα βασίζονται σε γεωφυσικά δεδομένα που συμπληρώνονται από τα αποτελέσματα των πειραμάτων και τη μαθηματική μοντελοποίηση. Σημαντικές πληροφορίες παρέχονται από μετεωρίτες και θραύσματα πετρωμάτων του ανώτερου μανδύα που μεταφέρονται από τα βάθη με βαθιά μαγματικά τήγματα.

Η ακαθάριστη χημική σύνθεση της Γης είναι πολύ κοντά στη σύνθεση των ανθρακούχων χονδριτών - μετεωριτών, παρόμοια σε σύνθεση με την πρωτογενή κοσμική ουσία από την οποία σχηματίστηκαν η Γη και άλλα κοσμικά σώματα του Ηλιακού Συστήματος. Όσον αφορά την ακαθάριστη σύνθεση, το 92% της Γης αποτελείται μόνο από πέντε στοιχεία (σε φθίνουσα σειρά περιεκτικότητας): οξυγόνο, σίδηρος, πυρίτιο, μαγνήσιο και θείο. Όλα τα άλλα στοιχεία αντιπροσωπεύουν περίπου το 8%.

Ωστόσο, στη σύνθεση των γεωσφαιρών της Γης, τα αναφερόμενα στοιχεία κατανέμονται άνισα - η σύνθεση οποιουδήποτε κελύφους διαφέρει σημαντικά από την ακαθάριστη χημική σύνθεση του πλανήτη. Αυτό οφείλεται στις διαδικασίες διαφοροποίησης της πρωταρχικής ουσίας χονδρίτη στη διαδικασία σχηματισμού και εξέλιξης της Γης.

Το κύριο μέρος του σιδήρου στη διαδικασία της διαφοροποίησης συγκεντρώθηκε στον πυρήνα. Αυτό είναι σε καλή συμφωνία με τα δεδομένα σχετικά με την πυκνότητα της ουσίας του πυρήνα και με την παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου, με τα δεδομένα σχετικά με τη φύση της διαφοροποίησης της ουσίας του χονδρίτη και με άλλα γεγονότα. Πειράματα σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις έδειξαν ότι σε πιέσεις που επιτυγχάνονται στα όρια του πυρήνα και του μανδύα, η πυκνότητα του καθαρού σιδήρου είναι κοντά στα 11 g/cm 3, που είναι υψηλότερη από την πραγματική πυκνότητα αυτού του τμήματος του πλανήτη. Επομένως, υπάρχουν μερικά ελαφριά εξαρτήματα στον εξωτερικό πυρήνα. Το υδρογόνο ή το θείο θεωρούνται ως τα πιο πιθανά συστατικά. Έτσι, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ένα μείγμα 86% σιδήρου + 12% θείου + 2% νικελίου αντιστοιχεί στην πυκνότητα του εξωτερικού πυρήνα και θα πρέπει να βρίσκεται σε λιωμένη κατάσταση υπό τις συνθήκες P-T αυτού του τμήματος του πλανήτη. Ο στερεός εσωτερικός πυρήνας αντιπροσωπεύεται από σίδηρο νικελίου, πιθανώς σε αναλογία 80% Fe + 20% Ni, που αντιστοιχεί στη σύνθεση των μετεωριτών σιδήρου.

Μέχρι σήμερα έχουν προταθεί αρκετά μοντέλα για την περιγραφή της χημικής σύστασης του μανδύα (Πίνακας). Παρά τις διαφορές μεταξύ τους, όλοι οι συγγραφείς αποδέχονται ότι περίπου το 90% του μανδύα αποτελείται από οξείδια του πυριτίου, του μαγνησίου και του σιδήρου. άλλο 5 - 10% είναι οξείδια του ασβεστίου, του αργιλίου και του νατρίου. Έτσι, το 98% του μανδύα αποτελείται μόνο από έξι καταγεγραμμένα οξείδια.

Η μορφή εύρεσης αυτών των στοιχείων είναι συζητήσιμη: με τη μορφή ποια ορυκτά και πετρώματα βρίσκονται;

Σε βάθος 410 km, σύμφωνα με το μοντέλο του λερζολίτη, ο μανδύας αποτελείται από 57% ολιβίνη, 27% πυροξένιο και 14% γρανάτη. η πυκνότητά του είναι περίπου 3,38 g/cm3. Στο όριο των 410 km, η ολιβίνη περνά στο σπινέλιο και το πυροξένιο σε γρανάτη. Κατά συνέπεια, ο κάτω μανδύας αποτελείται από μια ένωση γρανάτη-σπινελίου: 57% σπινέλιο + 39% γρανάτης + 4% πυροξένιο. Η μετατροπή των ορυκτών σε πυκνότερες τροποποιήσεις στη στροφή των 410 km οδηγεί σε αύξηση της πυκνότητας έως και 3,66 g/cm3, η οποία αντανακλάται στην αύξηση της ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων που διέρχονται από αυτήν την ουσία.

Η επόμενη φάση μετάβασης περιορίζεται στο όριο των 670 km. Σε αυτό το επίπεδο, η πίεση καθορίζει την αποσύνθεση ορυκτών τυπικών του ανώτερου μανδύα για να σχηματιστούν πυκνότερα ορυκτά. Ως αποτέλεσμα αυτής της αναδιάταξης των συσχετισμών ορυκτών, η πυκνότητα του κάτω μανδύα στο όριο των 670 km γίνεται περίπου 3,99 g/cm3 και σταδιακά αυξάνεται με το βάθος υπό πίεση. Αυτό διορθώνεται από μια απότομη αύξηση της ταχύτητας των σεισμικών κυμάτων και μια περαιτέρω σταδιακή αύξηση της ταχύτητας του ορίου των 2900 km. Στο όριο μεταξύ του μανδύα και του πυρήνα, τα πυριτικά ορυκτά πιθανώς αποσυντίθενται σε μεταλλικές και μη μεταλλικές φάσεις. Αυτό η διαδικασία διαφοροποίησης της ουσίας του μανδύα συνοδεύεται από την ανάπτυξη του μεταλλικού πυρήνα του πλανήτη και την απελευθέρωση θερμικής ενέργειας.

Συνοψίζοντας τα παραπάνω στοιχεία, πρέπει να σημειωθεί ότι ο διαχωρισμός του μανδύα οφείλεται στην αναδιάταξη της κρυσταλλικής δομής των ορυκτών χωρίς σημαντική αλλαγή στη χημική του σύνθεση. Οι σεισμικές διεπαφές περιορίζονται σε περιοχές μετασχηματισμών φάσης και σχετίζονται με μια αλλαγή στην πυκνότητα της ύλης.

Το τμήμα πυρήνα/μανδύα είναι, όπως σημειώθηκε προηγουμένως, πολύ αιχμηρό. Εδώ, η ταχύτητα και η φύση της διέλευσης των κυμάτων, η πυκνότητα, η θερμοκρασία και άλλες φυσικές παράμετροι αλλάζουν δραματικά. Τέτοιες ριζικές αλλαγές δεν μπορούν να εξηγηθούν από την αναδιάταξη της κρυσταλλικής δομής των ορυκτών και αναμφίβολα συνδέονται με μια αλλαγή στη χημική σύνθεση της ουσίας.

Λεπτομερέστερες πληροφορίες είναι διαθέσιμες στην υλική σύνθεση του φλοιού της γης, οι ανώτεροι ορίζοντες του οποίου είναι διαθέσιμοι για άμεση μελέτη.

Η χημική σύσταση του φλοιού της γης διαφέρει από τις βαθύτερες γεωσφαίρες κυρίως από τον εμπλουτισμό της σε σχετικά ελαφριά στοιχεία - πυρίτιο και αλουμίνιο.

Αξιόπιστες πληροφορίες είναι διαθέσιμες μόνο για τη χημική σύνθεση του ανώτερου τμήματος του φλοιού της γης. Τα πρώτα στοιχεία για τη σύνθεσή του δημοσιεύτηκαν το 1889 από τον Αμερικανό επιστήμονα F. Clark, ως αριθμητικός μέσος όρος 6000 χημικών αναλύσεων πετρωμάτων. Αργότερα, με βάση πολυάριθμες αναλύσεις ορυκτών και πετρωμάτων, αυτά τα δεδομένα βελτιώθηκαν επανειλημμένα, αλλά ακόμη και τώρα το ποσοστό ενός χημικού στοιχείου στον φλοιό της γης ονομάζεται Clarke. Περίπου το 99% της σύνθεσης του φλοιού της γης καταλαμβάνεται από μόνο 8 στοιχεία, δηλαδή έχουν τα μεγαλύτερα κλαρκ (τα στοιχεία για το περιεχόμενό τους δίνονται στον πίνακα). Επιπρόσθετα, μπορούν να ονομαστούν αρκετά ακόμη στοιχεία που έχουν σχετικά υψηλά κλαρκ: υδρογόνο (0,15%), τιτάνιο (0,45%), άνθρακας (0,02%), χλώριο (0,02%), τα οποία συνολικά αποτελούν το 0,64%. Για όλα τα άλλα στοιχεία που περιέχονται στον φλοιό της γης σε χιλιοστά και εκατομμυριοστά, παραμένει το 0,33%. Έτσι, όσον αφορά τα οξείδια, ο φλοιός της Γης αποτελείται κυρίως από SiO2 και Al2O3 (έχει «σιαλική» σύσταση, SIAL), που τον διακρίνει σημαντικά από τον μανδύα, εμπλουτισμένο σε μαγνήσιο και σίδηρο.

Ταυτόχρονα, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι τα παραπάνω δεδομένα για τη μέση σύσταση του φλοιού της γης αντικατοπτρίζουν μόνο τη γενική γεωχημική ιδιαιτερότητα αυτής της γεωσφαίρας. Εντός των ορίων του φλοιού της γης, οι ωκεάνιοι και ηπειρωτικοί τύποι φλοιού διαφέρουν σημαντικά ως προς τη σύνθεση. Ο ωκεάνιος φλοιός σχηματίζεται λόγω μαγματικών τήξεων που προέρχονται από τον μανδύα, επομένως είναι πολύ πιο εμπλουτισμένος σε σίδηρο, μαγνήσιο και ασβέστιο από τον ηπειρωτικό.

Η μέση περιεκτικότητα σε χημικά στοιχεία στο φλοιό της γης
(σύμφωνα με τον Vinogradov)

Χημική σύνθεση ηπειρωτικού και ωκεάνιου φλοιού

Δεν υπάρχουν λιγότερο σημαντικές διαφορές μεταξύ του ανώτερου και του κατώτερου τμήματος του ηπειρωτικού φλοιού. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στον σχηματισμό μάγματος φλοιού που προκύπτουν από την τήξη των πετρωμάτων του φλοιού. Κατά την τήξη πετρωμάτων διαφορετικής σύστασης, τήκονται μάγματα, που αποτελούνται σε μεγάλο βαθμό από πυρίτιο και οξείδιο του αργιλίου (συνήθως περιέχουν περισσότερο από 64% SiO 2) και τα οξείδια του σιδήρου και του μαγνησίου παραμένουν στους βαθείς ορίζοντες με τη μορφή άλυτου " υπόλειμμα". Τα τήγματα χαμηλής πυκνότητας εισχωρούν σε υψηλότερους ορίζοντες του φλοιού της γης, εμπλουτίζοντάς τους με SiO 2 και Al 2 O 3 .

Χημική σύνθεση του ανώτερου και κατώτερου ηπειρωτικού φλοιού
(σύμφωνα με τους Taylor και McLennan)

Τα χημικά στοιχεία και οι ενώσεις στον φλοιό της γης μπορούν να σχηματίσουν τα δικά τους ορυκτά ή να βρίσκονται σε διάσπαρτη κατάσταση, εισχωρώντας με τη μορφή ακαθαρσιών σε οποιαδήποτε ορυκτά και πετρώματα.

Έχει μια ειδική σύνθεση, που διαφέρει από τη σύνθεση του φλοιού της γης που το καλύπτει. Τα δεδομένα για τη χημική σύνθεση του μανδύα ελήφθησαν από αναλύσεις των βαθύτερων πυριγενών πετρωμάτων που εισήλθαν στους ανώτερους ορίζοντες της Γης ως αποτέλεσμα ισχυρών τεκτονικών ανυψώσεων με την αφαίρεση του υλικού του μανδύα. Αυτά τα πετρώματα περιλαμβάνουν υπερβασικά πετρώματα - δουνίτες, περιδοτίτες που απαντώνται σε ορεινά συστήματα. Οι βράχοι των νησιών του Αγίου Παύλου στο μεσαίο τμήμα Ατλαντικός Ωκεανός, σύμφωνα με όλα τα γεωλογικά δεδομένα, ανατρέξτε στο υλικό του μανδύα. Το υλικό του μανδύα περιλαμβάνει επίσης θραύσματα βράχου που συλλέχθηκαν από σοβιετικές ωκεανογραφικές αποστολές από τον πυθμένα Ινδικός ωκεανόςστην κορυφογραμμή του Ινδικού Ωκεανού. Όσον αφορά την ορυκτολογική σύσταση του μανδύα, εδώ αναμένονται σημαντικές αλλαγές, ξεκινώντας από τους ανώτερους ορίζοντες και καταλήγοντας στη βάση του μανδύα, λόγω αύξησης της πίεσης. Ο άνω μανδύας αποτελείται κυρίως από πυριτικά άλατα (ολιβίνες, πυροξένια, γρανάτες), τα οποία είναι σταθερά και σε σχετικά χαμηλές πιέσεις. Ο κάτω μανδύας αποτελείται από ορυκτά υψηλής πυκνότητας.

Το πιο κοινό συστατικό του μανδύα είναι το οξείδιο του πυριτίου στη σύνθεση των πυριτικών αλάτων. Αλλά σε υψηλές πιέσεις, το πυρίτιο μπορεί να μετατραπεί σε μια πιο πυκνή πολυμορφική τροποποίηση - στισοβίτη. Αυτό το ορυκτό ελήφθη από τον Σοβιετικό ερευνητή Stishov και πήρε το όνομά του. Εάν ο συνηθισμένος χαλαζίας έχει πυκνότητα 2,533 r/cm 3 , τότε ο στισοβίτης, που σχηματίζεται από χαλαζία σε πίεση 150.000 bar, έχει πυκνότητα 4,25 g/cm 3 .

Επιπλέον, πιο πυκνές τροποποιήσεις ορυκτών άλλων ενώσεων είναι επίσης πιθανές στον κάτω μανδύα. Με βάση τα προαναφερθέντα, μπορεί εύλογα να υποτεθεί ότι με την αύξηση της πίεσης, τα συνήθη πυριτικά σιδήρου-μαγνήσιου ολιβινών και πυροξενίων αποσυντίθενται σε οξείδια, τα οποία μεμονωμένα έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα από τα πυριτικά, τα οποία αποδεικνύονται σταθερά στον άνω μανδύα.

Ο άνω μανδύας αποτελείται κυρίως από σιδηρούχο-μαγνησιακά πυριτικά (ολιβίνες, πυροξένια). Ορισμένα αργιλοπυριτικά άλατα μπορούν να μετατραπούν εδώ σε πιο πυκνά ορυκτά όπως οι γρανάτες. Κάτω από τις ηπείρους και τους ωκεανούς, ο ανώτερος μανδύας έχει διαφορετικές ιδιότητες και πιθανώς διαφορετική σύνθεση. Μπορεί κανείς μόνο να υποθέσει ότι στην περιοχή των ηπείρων ο μανδύας είναι πιο διαφοροποιημένος και έχει λιγότερο SiO 2 λόγω της συγκέντρωσης αυτού του συστατικού στον αργιλοπυριτικό φλοιό. Κάτω από τους ωκεανούς, ο μανδύας είναι λιγότερο διαφοροποιημένος. Στον άνω μανδύα, μπορεί να εμφανιστούν πυκνότερες πολυμορφικές τροποποιήσεις της ολιβίνης με δομή σπινελίου κ.λπ.

Το μεταβατικό στρώμα του μανδύα χαρακτηρίζεται από μια σταθερή αύξηση των ταχυτήτων σεισμικών κυμάτων με το βάθος, γεγονός που υποδηλώνει την εμφάνιση πυκνότερων πολυμορφικών τροποποιήσεων της ύλης. Εδώ, προφανώς, τα οξείδια FeO, MgO, GaO, SiO 2 εμφανίζονται με τη μορφή βουστίτη, περικλάσης, ασβέστη και στισοβίτη. Ο αριθμός τους αυξάνεται με το βάθος, ενώ η ποσότητα των συνηθισμένων πυριτικών μειώνεται και κάτω από τα 1000 km αποτελούν ένα ασήμαντο κλάσμα.

Ο κάτω μανδύας στα βάθη των 1000-2900 km αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από πυκνές ποικιλίες ορυκτών - οξειδίων, όπως αποδεικνύεται από την υψηλή πυκνότητά του στο εύρος των 4,08-5,7 g/cm 3 . Υπό την επίδραση της αυξημένης πίεσης, τα πυκνά οξείδια συμπιέζονται, αυξάνοντας περαιτέρω την πυκνότητά τους. Η περιεκτικότητα σε σίδηρο επίσης πιθανότατα αυξάνεται στον κάτω μανδύα.

ο πυρήνας της γης. Το ζήτημα της σύνθεσης και της φυσικής φύσης του πυρήνα του πλανήτη μας είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά και μυστηριώδη προβλήματα της γεωφυσικής και της γεωχημείας. Μόνο πρόσφατα υπήρξε λίγη διαφώτιση για την επίλυση αυτού του προβλήματος.

Ο τεράστιος κεντρικός πυρήνας της Γης, ο οποίος καταλαμβάνει την εσωτερική περιοχή βαθύτερη από 2900 km, αποτελείται από έναν μεγάλο εξωτερικό πυρήνα και έναν μικρό εσωτερικό. Σύμφωνα με σεισμικά δεδομένα, ο εξωτερικός πυρήνας έχει τις ιδιότητες ενός υγρού. Δεν μεταδίδει εγκάρσια σεισμικά κύματα. Η απουσία συνεκτικών δυνάμεων μεταξύ του πυρήνα και του κατώτερου μανδύα, η φύση των παλίρροιων στο μανδύα και το φλοιό, οι ιδιαιτερότητες της κίνησης του άξονα περιστροφής της Γης στο διάστημα, η φύση της διέλευσης των σεισμικών κυμάτων βαθύτερα από 2900 km δείχνουν ότι ο εξωτερικός πυρήνας της Γης είναι υγρός.

Μερικοί συγγραφείς υπέθεσαν ότι η σύνθεση του πυρήνα για ένα χημικά ομοιογενές μοντέλο της Γης ήταν πυριτική και υπό την επίδραση υψηλής πίεσης, τα πυριτικά άλατα πέρασαν σε μια «μεταλλωμένη» κατάσταση, αποκτώντας μια ατομική δομή στην οποία τα εξωτερικά ηλεκτρόνια είναι κοινά. Ωστόσο, τα γεωφυσικά δεδομένα που αναφέρονται παραπάνω έρχονται σε αντίθεση με την υπόθεση μιας «μεταλλωμένης» κατάστασης του πυριτικού υλικού στον πυρήνα της Γης. Ειδικότερα, η απουσία συνοχής μεταξύ του πυρήνα και του μανδύα δεν μπορεί να είναι συμβατή με έναν «μεταλλωμένο» συμπαγή πυρήνα, που υποτέθηκε στην υπόθεση Lodochnikov-Ramsay. Πολύ σημαντικά έμμεσα δεδομένα για τον πυρήνα της Γης ελήφθησαν κατά τη διάρκεια πειραμάτων με πυριτικά υπό υψηλή πίεση. Σε αυτή την περίπτωση, η πίεση έφτασε τα 5 εκατομμύρια atm. Εν τω μεταξύ, στο κέντρο της Γης, η πίεση είναι 3 εκατομμύρια atm., και στο όριο του πυρήνα - περίπου 1 εκατομμύριο atm. Έτσι, πειραματικά, κατέστη δυνατό να αποκλειστούν οι πιέσεις που υπάρχουν στα ίδια τα βάθη της Γης. Σε αυτή την περίπτωση, για τα πυριτικά, παρατηρήθηκε μόνο γραμμική συμπίεση χωρίς άλμα και μετάβαση σε κατάσταση "μεταλλωμένης". Επιπλέον, σε υψηλές πιέσεις και σε βάθη 2900-6370 km, τα πυριτικά δεν μπορούν να βρίσκονται σε υγρή κατάσταση, όπως τα οξείδια. Το σημείο τήξης τους αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης.

Ανά τα τελευταία χρόνιαΈχουν ληφθεί πολύ ενδιαφέροντα ερευνητικά αποτελέσματα σχετικά με την επίδραση πολύ υψηλών πιέσεων στο σημείο τήξης των μετάλλων. Αποδείχθηκε ότι ένας αριθμός μετάλλων σε υψηλές πιέσεις (300.000 atm. και άνω) μεταβαίνει σε υγρή κατάσταση σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Σύμφωνα με ορισμένους υπολογισμούς, ένα κράμα σιδήρου με πρόσμιξη νικελίου και πυριτίου (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) σε βάθος 2900 km υπό την επίδραση υψηλής πίεσης θα πρέπει να βρίσκεται σε υγρή κατάσταση ήδη σε θερμοκρασία 1000 ° C. Αλλά η θερμοκρασία σε αυτά τα βάθη, σύμφωνα με τις πιο συντηρητικές εκτιμήσεις των γεωφυσικών, θα πρέπει να είναι πολύ υψηλότερη.

Επομένως, υπό το πρίσμα της σύγχρονης γεωφυσικής και των δεδομένων φυσικής υψηλής πίεσης, καθώς και των δεδομένων κοσμοχημείας που υποδεικνύουν τον ηγετικό ρόλο του σιδήρου ως το πιο άφθονο μέταλλο στο διάστημα, θα πρέπει να υποτεθεί ότι ο πυρήνας της Γης αποτελείται κυρίως από υγρό σίδηρο με πρόσμιξη νικελίου. Ωστόσο, οι υπολογισμοί του Αμερικανού γεωφυσικού F. Birch έδειξαν ότι η πυκνότητα του πυρήνα της γης είναι 10% χαμηλότερη από αυτή ενός κράματος σιδήρου-νικελίου σε θερμοκρασίες και πιέσεις που επικρατούν στον πυρήνα. Από αυτό προκύπτει ότι ο μεταλλικός πυρήνας της Γης πρέπει να περιέχει σημαντική ποσότητα (10-20%) κάποιου είδους πνεύμονα. Από όλα τα ελαφρύτερα και πιο κοινά στοιχεία, το πυρίτιο (Si) και το θείο (S) είναι τα πιο πιθανά | Η παρουσία του ενός ή του άλλου μπορεί να εξηγήσει τις παρατηρούμενες φυσικές ιδιότητες του πυρήνα της γης. Ως εκ τούτου, το ερώτημα τι είναι ένα μείγμα του πυρήνα της γης - πυρίτιο ή θείο, αποδεικνύεται συζητήσιμο και συνδέεται με τον τρόπο που σχηματίζεται στην πράξη ο πλανήτης μας.

Ο A. Ridgwood το 1958 υπέθεσε ότι ο πυρήνας της γης περιέχει πυρίτιο ως ελαφρύ στοιχείο, υποστηρίζοντας αυτή την υπόθεση από το γεγονός ότι το στοιχειακό πυρίτιο σε ποσότητα αρκετών τοις εκατό κατά βάρος βρίσκεται στη μεταλλική φάση ορισμένων μετεωριτών ανηγμένου χονδρίτη (ενστατίτης). Ωστόσο, δεν υπάρχουν άλλα επιχειρήματα υπέρ της παρουσίας πυριτίου στον πυρήνα της γης.

Η υπόθεση ότι υπάρχει θείο στον πυρήνα της Γης προκύπτει από τη σύγκριση της κατανομής του στο χονδρίτη υλικό των μετεωριτών και στον μανδύα της Γης. Έτσι, μια σύγκριση των στοιχειωδών ατομικών αναλογιών ορισμένων πτητικών στοιχείων σε ένα μείγμα φλοιού και μανδύα και στους χονδρίτες δείχνει μια έντονη έλλειψη θείου. Στο υλικό του μανδύα και του φλοιού, η συγκέντρωση του θείου είναι τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερη από ό,τι στο μέσο υλικό του ηλιακού συστήματος, το οποίο λαμβάνεται ως χονδρίτες.

Η πιθανότητα απώλειας θείου στις υψηλές θερμοκρασίες της πρωτόγονης Γης εξαλείφεται, καθώς άλλα πιο πτητικά στοιχεία από το θείο (για παράδειγμα, H2 με τη μορφή H2O), που βρέθηκε να είναι πολύ λιγότερο ανεπαρκή, θα χαθούν σε πολύ μεγαλύτερη έκταση. Επιπλέον, όταν το ηλιακό αέριο ψύχεται, το θείο συνδέεται χημικά με το σίδηρο και παύει να είναι πτητικό στοιχείο.

Από αυτή την άποψη, είναι πολύ πιθανό μεγάλες ποσότητες θείου να εισέλθουν στον πυρήνα της γης. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, αν και άλλα πράγματα είναι ίσα, το σημείο τήξης του συστήματος Fe-FeS είναι πολύ χαμηλότερο από το σημείο τήξης του σιδήρου ή του πυριτικού μανδύα. Έτσι, σε πίεση 60 kbar, το σημείο τήξης του συστήματος (ευτηκτική) Fe-FeS θα είναι 990 ° C, ενώ ο καθαρός σίδηρος - 1610 °, και ο πυρόλιθος του μανδύα - 1310. Επομένως, με αύξηση της θερμοκρασίας στα έντερα της αρχικά ομοιογενούς Γης, ένα τήγμα σιδήρου εμπλουτισμένο με θείο, θα σχηματιστεί πρώτα και, λόγω του χαμηλού ιξώδους και της υψηλής πυκνότητάς του, θα στραγγίσει εύκολα στα κεντρικά μέρη του πλανήτη, σχηματίζοντας έναν σιδηρούχο-θείο πυρήνα. Έτσι, η παρουσία θείου στο περιβάλλον νικελίου-σιδήρου λειτουργεί ως ροή, μειώνοντας το σημείο τήξης του στο σύνολό του. Η υπόθεση της παρουσίας σημαντικών ποσοτήτων θείου στον πυρήνα της γης είναι πολύ ελκυστική και δεν έρχεται σε αντίθεση με όλα τα γνωστά δεδομένα της γεωχημείας και της κοσμοχημείας.

Έτσι, οι σύγχρονες ιδέες για τη φύση του εσωτερικού του πλανήτη μας αντιστοιχούν σε μια χημικά διαφοροποιημένη την υδρόγειο, το οποίο αποδείχθηκε ότι χωρίστηκε σε δύο διαφορετικά μέρη: έναν ισχυρό μανδύα στερεού οξειδίου του πυριτίου και έναν υγρό, κυρίως μεταλλικό πυρήνα. Ο φλοιός της γης είναι το ελαφρύτερο ανώτερο στερεό κέλυφος, που αποτελείται από αργιλοπυριτικά και έχει την πιο πολύπλοκη δομή.

Συνοψίζοντας τα παραπάνω, μπορούμε να βγάλουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα.

1. Η γη έχει μια πολυεπίπεδη ζωνική δομή. Αποτελείται από τα δύο τρίτα ενός στερεού κελύφους πυριτικού οξειδίου - τον μανδύα και το ένα τρίτο ενός μεταλλικού υγρού πυρήνα.
2. Οι κύριες ιδιότητες της Γης υποδεικνύουν ότι ο πυρήνας είναι σε υγρή κατάσταση και μόνο ο σίδηρος από τα πιο κοινά μέταλλα με πρόσμιξη κάποιων ελαφρών στοιχείων (πιθανότατα θείο) μπορεί να παρέχει αυτές τις ιδιότητες.
3. Στους ανώτερους ορίζοντές της, η Γη έχει μια ασύμμετρη δομή, που καλύπτει τον φλοιό και τον άνω μανδύα. Το ωκεάνιο ημισφαίριο εντός του άνω μανδύα είναι λιγότερο διαφοροποιημένο από το αντίθετο ηπειρωτικό ημισφαίριο.

Το καθήκον κάθε κοσμογονικής θεωρίας για την προέλευση της Γης είναι να εξηγήσει αυτά τα βασικά χαρακτηριστικά της εσωτερικής φύσης και της σύνθεσής της.