Земная мантия. Соотношение понятий «земная кора», «литосфера», «тектоносфера»

Главная

Лето

Д.Ю. Пущаровский, Ю.М. Пущаровский (МГУ им. М.В. Ломоносова)

Состав и строение глубинных оболочек Земли в последние десятилетия продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Число прямых данных о веществе глубинных зон весьма ограниченно. В этом плане особое место занимает минеральный агрегат из кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка), который рассматривается как представитель мантийных пород, залегающих на глубине ~250 км. Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважины, пробуренной на Кольском полуострове и достигшей отметки 12 262 м, существенно расширил научные представления о глубинных горизонтах земной коры - тонкой приповерхностной пленке земного шара. Вместе с тем новейшие данные геофизики и экспериментов, связанных с исследованием структурных превращений минералов, уже сейчас позволяют смоделировать многие особенности строения, состава и процессов, происходящих в глубинах Земли, знание которых способствует решению таких ключевых проблем современного естествознания, как формирование и эволюция планеты, динамика земной коры и мантии, источники минеральных ресурсов, оценка риска захоронения опасных отходов на больших глубинах, энергетические ресурсы Земли и др.

Сейсмическая модель строения Земли

Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра .

Соответственно радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо , М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857-1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.

Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D" (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.

Рис. 1. Схема глубинного строения Земли

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

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

Ниже рассмотрим, каким образом геофизические рубежи соотносятся с полученными в последнее время результатами структурных изменений минералов под влиянием высоких давлений и температур, значения которых соответствуют условиям земных глубин.

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

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

Мантия Земли – это наиболее важный участок нашей планеты, так как именно тут сосредоточена большая часть веществ. Он намного толще, чем остальные компоненты и, по сути, занимает большую часть пространства – около 80%. Изучению именно этой части планеты ученые посвятили большую часть времени.

Строение

Строение мантии ученые могут только предполагать, так как методов, которые бы однозначно дали ответ на данный вопрос, пока что не существует. Но, проведенные исследования дали возможность предположить, что данный участок нашей планеты состоит из таких слоев:

первый, наружный – он занимает от 30 до 400 километров земной поверхности;
переходная зона, которая расположена сразу за наружным слоем – по предположениям ученых она уходит вглубь примерно на 250 километров;
нижний слой – его протяжность самая большая, около 2900 километров. Он начинается сразу после переходной зоны и идет прямо к ядру.

Следует отметить, что в мантии планеты есть такие горные породы, которых нет в земной коре.

Состав

Само собой, что точно установить из чего состоит мантия нашей планеты, нельзя, так как добраться туда невозможно. Поэтому, все, что удается изучить ученым, происходит при помощи обломков этого участки, которые периодически появляются на поверхности.

Так, после ряда исследований удалось выяснить, что этот участок Земли черно-зеленого цвета. Основной состав — это горные породы, которые состоят из таких химических элементов:

кремний;
кальций;
магний;
железо;
кислород.

По внешнему виду, а в чем-то даже и по составу, она очень похожа на каменные метеориты, которые также периодически попадают на нашу планету.

Вещества, которые находятся в самой мантии, жидкие, вязкообразные, так как температура на данном участке превышает тысячи градусов. Ближе к коре Земли температура снижается. Таким образом, происходит некоторый круговорот – те массы, которые уже охладились, спускаются вниз, а разогретые до предела попадают наверх, поэтому процесс «смешивания» никогда не прекращается.

Периодически, такие разогретые потоки попадают в самую кору планеты, в чем им оказывают содействие действующие вулканы.

Способы изучения

Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.

Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:

скорость сейсмических волн;
сила тяжести;
характеристики и показатели электропроводности;
изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.

Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.

Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.

Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.

Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.

Давление и температура

Распределение давления в пределах мантии неоднозначно, собственно как и температурного режима, но обо всем по порядку. На долю мантии приходится больше половины веса планеты, а если сказать точнее, то 67%. В участках под земной корой давление составляет около 1,3-1,4 млн.атм., при этом, следует отметить, что в местах, где расположены океаны, уровень давления существенно спадает.

Что же касается температурного режима, то здесь данные вовсе неоднозначны и базируются только на теоретических предположениях. Так, у подошвы мантии предполагается температура в 1500-10 000 градусов по Цельсию. В целом, ученые предположили, что температурный уровень на данном участке планеты более близок к температуре плавления.

Мантия земли - геосфера, расположенная между земной корой и ядром. Мантия составляет 83% объема и 67% всей массы Земли. В ней выделяют несколько слоев -- верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет четкой границы. Кроме того, верхнюю мантию еще подразделяют на несколько геосфер. Мантия занимает огромный диапазон глубин, и с увеличением давления в веществе происходят фазовые переходы, при которых минералы приобретают всё более плотную структуру.

Согласно современным научным представлениям, состав земной мантии считается похожим на состав каменных метеоритов. В состав мантии преимущественно входят химические элементы, находившиеся в твёрдом состоянии или в твёрдых химических соединениях во время формирования Земли: кремний, железо, кислород, магний и др.

Верхняя мантия -- геосфера, расположенная между земной корой и нижней мантией Земли. Сверху отделена от коры поверхностью Мохоровичича. Нижняя граница верхней мантии нечёткая, находится на глубине около 900 км. Верхняя мантия играет важную роль в тектонических, магматические и метаморфических процессах, происходящих в земной коре, в образовании полезных ископаемых и т.д.

Субстрат. Субстрат - слой верхней мантии, располагающийся на астеносфере. Вместе с земной корой образует литосферу. Представляет собой жесткую платформу, на которой в процессе геологического развития, возникла земная кора. Предполагается, что эта геосфера имеет пониженную вязкость, в связи с чем, испытывает медленные перемещения (токи), под действием нижележащих структур. Именно с этим связывают причину перемещения литосферных плит. Кроме того, весь субстрат находится в состоянии изостазии, обуславливающем взаимное уравновешивание плит: при опускании одних, поднимаются другие.

Астеносфера. Скорости сейсмических волн в мантии растут с глубиной. Но начиная с глубины 80--100 км под материками и около 50 км под океанами они понижаются на протяжении около 100 км, потом начинают повышаться и на глубине около 400 км приходят опять к нормальным значениям, соответствующим общему ходу кривых на графике скоростей в этой части мантии. Особенно заметно понижение скорости поперечных волн. Эту зону пониженных скоростей сейсмических волн называют астеносферой или слоем Гутенберга.

Из-за большой температуры и давления, вещество не расплавляется, а переходит в аморфное состояние. Есть и другое предположение: в слое Гутенберга расплавились только самые легкоплавкие кристаллы, так что в твердом в общем веществе вкраплены отдельные капли жидкости. Из обоих предположений вытекает, что для астеносферы характерна пониженная вязкость, а это очень важно для объяснения многих процессов, протекающих на Земле.

Дело в том, что горные породы при большом давлении и температуре могут медленно течь, оставаясь твердыми, как течет ледник с горы. Очевидно, что перетекание материала при неравномерном давлении как раз и происходит в астеносфере. Считают, что изостазия возникает благодаря перетеканию материала в слое Гутенберга.

При измерении скорости распространения сейсмических волн, наблюдается, что поперечные упругие волны свободно проходят сквозь кору и всю мантию, а известно, что сквозь жидкость они не проходят. Это указывает на то, что ни в коре, ни в мантии нет сплошного жидкого слоя. Твердость верхней мантии подтверждается еще и тем, что в ней (как и в коре) наблюдаются очаги землетрясений -- в некоторых областях до глубины 700 км. Глубже землетрясений не бывает.

Слой Голицына. Оставшаяся часть верхней мантии под астеносферой называется слоем Голицына. В слое Голицына скорости сейсмических волн с глубиной растут особенно быстро. Это объясняется тем, что под действием очень большого давления, силикаты приобретают другую форму кристаллов, с более плотной упаковкой атомов. Это и приводит к сильному увеличению скоростей сейсмических волн. Одновременно должна возрастать и плотность, поэтому в слое Голицына предполагают быстрый рост плотности с глубиной.

Слой Голицына служит границей раздела между верхней и нижней мантией и располагающийся на глубине около 670 км.

Нижняя мантия - часть мантии, находящаяся под астеносферой и залегающая на глубинах 670 -- 2900 км. В нижней мантии скорости сейсмических волн растут с глубиной как раз так, как они должны расти за счет роста давления. Рост плотности идет только за счет упругого сжатия под давлением. На долю нижней мантии приходится 47% объема Земли и 41% ее массы. По сейсмическим данным в ней выделяют слои D" и D".

Мантийный слой D". Характеризуется дальнейшим нарастанием скоростей сейсмических колебаний (скорость поперечных упругих волн достигает 10,75-13,68 км/c). На рубеже 660 км скорость сейсмических волн аномально низка и имеет горизонтальные и вертикальные неоднородности. Это связывают с изменением состава мантии (переход минералов рингвудтита и мейжорита в первоскит, магнезиовюстит и оксидные фазы). Большинство исследователей принимает, что нижняя мантия на 70% сложена перовскитом.

Увеличение плотности с глубиной, начиная с 670 км, иногда связывают с увеличением содержания железа, т.е. допускается изменение химического состава мантии. Максимальная вязкость (прочность, добротность) мантийного вещества отмечается на глубине? 2000 км.

Граница раздела. Сама граница между слоями D" и D" выражена с различной чёткостью. На одних участках переход постепенный, на других -- резкий; на одних участках ниже этой границы сейсмические скорости возрастают, на других -- понижаются.

Мантийный слой D". Отличительной особенностью данного слоя является резко выраженная анизотропность. Она проявлена неровностью кровли, соответственно изменчивой мощностью, значительными вариациями сейсмических скоростей в вертикальном и горизонтальном направлениях, наличием в основании слоя зоны ультранизких скоростей.

Очень важное значение имеет открытие в основании слоя зоны низких сейсмических скоростей, обладающей мощностью 20-30 км. Предполагается, что вещество находится здесь в состоянии значительного частичного плавления, что определяет возможность интенсивного массо- и теплообмена между мантией и ядром Земли. Расплавленное железо из мантии стекает в ядро, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии и происходит разуплотнение мантии. Мантийный слой D" на 75 % сложен постперовскитом, который устойчив в широком диапазоне термодинамических условий и хорошо объясняет свойства слоя D"

Тепло- и массообмен осуществляются не только непосредственно вдоль границы мантия-ядро (2900 км), но и во всём объёме слоя D", который с одной стороны является местом зарождения масштабных восходящих потоков разогретого разуплотнённого мантийного вещества, а с другой -- местом захоронения погружающихся слэбов океанской литосферы.

Силикатная оболочка Земли, её мантия, расположена между подошвой земной коры и поверхностью земного ядра на глубинах около 2 900 км. Обычно по сейсмическим данным мантию делят на верхнюю (слой В), до глубины 400 км, переходный слой Голицына (слой С) в интервале глубин 400-1000 км и нижнюю мантию (слой D) с подошвой на глубине примерно 2 900 км. Под океанами в верхней мантии выделяется ещё и слой пониженных скоростей распространения сейсмических волн - волновод Гутенберга, обычно отождествляемый с астеносферой Земли, в которой мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии. Под континентами зона пониженных скоростей, как правило, не выделяется либо слабо выражена.

В состав верхней мантии обычно включаются и подкоровые части литосферных плит, в которых мантийное вещество охлаждено и полностью раскристаллизовано. Под океанами мощность литосферы меняется от нуля под рифтовыми зонами до 60-70 км под абиссальными котловинами океанов. Под континентами толщина литосферы может достигать 200-250 км.

Наши сведения о строении мантии и земного ядра, а также о состоянии вещества в этих геосферах получены в основном по сейсмологическим наблюдениям, путём интерпретации годографов сейсмических волн с учётом известных уравнений гидростатики, связывающих между собой градиенты плотности и значения скоростей распространения продольных и поперечных волн в среде. Методика эта была разработана известными геофизиками Г. Джефрисом, Б. Гутенбергом и особенно К. Булленом ещё в середине 40-х годов и затем существенно усовершенствована К. Булленом и другими сейсмологами. Построенные по этой методике распределения плотности в мантии для нескольких наиболее популярных моделей Земли в сопоставлении с данными ударного сжатия силикатов (модель НС-1) приведены на рис. 10.

Рисунок 10.
1 — модель Наймарка-Сорохтина (1977а); 2 — модель Буллена А1 (1966); 3 — модель Жаркова «Земля-2» (Жарков и др., 1971); 4 — пересчёт данных Панькова и Калинина (1975) на состав лерцолитов при адиабатическом распределении температуры.

Как видно из рисунка, плотность верхней мантии (слоя В) с глубиной увеличивается от 3,3-3,32 примерно до 3,63-3,70 г/см 3 на глубине около 400 км. Далее в переходном слое Голицына (слое С) градиент плотности резко возрастает и плотность повышается до 4,55-4,65 г/см 3 на глубине 1 000 км. Слой Голицына постепенно переходит в нижнюю мантию, плотность которой плавно (по линейному закону) возрастает до 5,53-5,66 г/см 3 на глубине её подошвы около 2 900 км.

Увеличение плотности мантии с глубиной объясняется уплотнением её вещества под влиянием все возрастающего давления вышележащих мантийных слоев, достигающего на подошве мантии значений 1,35-1,40 Мбар. Особенно заметное уплотнение силикатов мантийного вещества происходит в интервале глубин 400-1000 км. Как показал А. Рингвуд, именно на этих глубинах многие минералы испытывают полиморфные превращения. В частности, наиболее распространённый в мантии минерал оливин приобретает кристаллическую структуру шпинели, а пироксены - ильменитовую, а затем и плотнейшую перовскитовую структуру. На ещё больших глубинах большинство силикатов, за исключением, вероятно, только энстатита, распадаются на простые окислы с плотнейшей упаковкой атомов в соответствующих им кристаллитах.

Факты движения литосферных плит и дрейфа континентов убедительно свидетельствуют о существовании в мантии интенсивных конвективных движений, неоднократно перемешивавших за время жизни Земли все вещество этой геосферы. Отсюда можно сделать вывод, что составы и верхней и нижней мантии в среднем одинаковые. Однако состав верхней мантии уверенно определяется по находкам ультраосновных пород океанической коры и составам офиолитовых комплексов. Изучая офиолиты складчатых поясов и базальты океанических островов, А. Рингвуд ещё в 1962 г. предложил гипотетический состав верхней мантии, названный им пиролитом, получаемый при смешении трёх частей альпинотипного перидотита - габсбургита с одной частью гавайского базальта. Пиролит Рингвуда близок по составу к океаническим лерцолитам, подробно изученным Л.В. Дмитриевым (1969, 1973). Но в противоположность пиролиту океанический лерцолит является не гипотетической смесью пород, а реальной мантийной породой, поднявшейся из мантии в рифтовых зонах Земли и обнажающейся в трансформных разломах вблизи от этих зон. К тому же Л. В. Дмитриев показал комплиментарность океанических базальтов и реститовых (остаточных после выплавки базальтов) гарцбургитов по отношению к океаническим лерцолитам, доказав тем самым первичность лерцолитов, из которых, следовательно, выплавляются толеитовые базальты срединно-океанических хребтов, а в остатке сохраняется реститовый гарцбургит. Таким образом, ближе всего составу верхней мантии, а следовательно, и всей мантии соответствует описанный Л. В. Дмитриевым океанический лерцолит, состав которого приведён в табл. 1.

Таблица 1. Состав современной Земли и первичного земного вещества
По А. Б. Ронову и А. А. Ярошевскому (1976); (2) Наша модель с использованием данных Л. В. Дмитриева (1973) и А. Рингвуда (Ringwood, 1966); (3) H. Urey, H. Craig (1953); (4) Флоренский К. П., Базилевский Ф. Т. и др., 1981.

Окислы	Состав континентальной коры (1)	Модельный состав мантии Земли (2)	Модельный состав ядра Земли	Состав первичного вещества Земли (расчёт)	Средний состав хондритов (3)	Средний состав углистых хондритов (4)
SiO 2	59,3	45,5	—	30,78	38,04	33,0
TiO 2	0,7	0,6	—	0,41	0,11	0,11
Al 2 O 3	15,0	3,67	—	2,52	2,50	2,53
Fe 2 O 3	2,4	4,15	—	—	—	—
FeO	5,6	4,37	49,34	22,76	12,45	22,0
MnO	0,1	0,13	—	0,09	0,25	0,24
MgO	4,9	38,35	—	25,77	23,84	23,0
CaO	7,2	2,28	—	1,56	1,95	2,32
Na 2 O	2,5	0,43	—	0,3	0,95	0,72
K 2 O	2,1	0,012	—	0,016	0,17	—
Cr 2 O 3	—	0,41	—	0,28	0,36	0,49
P 2 O 5	0,2	—	—	—	—	0,38
NiO	—	0,1	—	0,07	—	—
FeS	—	—	6,69	2,17	5,76	13,6
Fe	—	—	43,41	13,1	11,76	—
Ni	—	—	0,56	0,18	1,34	—
Сумма	100,0	100,0	100,0	100,0	99,48	98,39

Кроме того, признание существования в мантии конвективных движений позволяет определить и её температурный режим, поскольку при конвекции распределение температуры в мантии должно быть близким к адиабатическому, т.е. к такому, при котором между смежными объёмами мантии не происходит теплообмена, связанного с теплопроводностью вещества. В этом случае теплопотери мантии происходят только в её верхнем слое - через литосферу Земли, распределение температуры в которой уже резко отличается от адиабатического. Но адиабатическое распределение температуры легко рассчитывается по параметрам мантийного вещества.

Для проверки гипотезы о едином составе верхней и нижней мантии были проведены расчёты плотности океанического лерцолита, поднятого в трансформном разломе хребта Карлсберг в Индийском океане, по методике ударного сжатия силикатов до давлений около 1,5 Мбар. Для такого «эксперимента» вовсе не обязательно сжимать сам образец породы до таких высоких давлений, достаточно знать его химический состав и результаты ранее проведённых опытов по ударному сжатию отдельных породообразующих окислов. Результаты такого расчёта, выполненного для адиабатического распределения температуры в мантии, были сопоставлены с известными распределениями плотности в этой же геосфере, но полученными по сейсмологическим данным (см. рис. 10). Как видно из приведённого сравнения, распределение плотности океанического лерцолита при высоких давлениях и адиабатической температуре неплохо аппроксимирует реальное распределение плотности в мантии, полученное по совершенно независимым данным. Это свидетельствует в пользу реальности сделанных предположений о лерцолитовом составе всей мантии (верхней и нижней) и об адиабатическом распределении температуры в этой геосфере. Зная распределение плотности вещества в мантии, можно подсчитать и её массу: она оказывается равной (4,03-4,04)×10 2 г, что составляет 67,5% от общей массы Земли.

На подошве нижней мантии выделяется ещё один мантийный слой толщиной около 200 км, обычно обозначаемый символом D’’, в котором уменьшаются градиенты скоростей распространения сейсмических волн и возрастает затухание поперечных волн. Более того, на основании анализа динамических особенностей распространения волн, отражённых от поверхности земного ядра, И.С. Берзон и её коллегам (1968, 1972) удалось выделить тонкий переходный слой между мантией и ядром толщиной около 20 км, названный нами слоем Берзон, в котором скорость поперечных волн в нижней половине убывает с глубиной от 7,3 км/с практически до нуля. Снижение же скорости поперечных волн можно объяснить лишь уменьшением значения модуля жёсткости, а следовательно, и уменьшением коэффициента эффективной вязкости вещества в этом слое.

Сама граница перехода от мантии к земному ядру при этом остаётся достаточно резкой. Судя по интенсивности и спектру отражённых от поверхности ядра сейсмических волн, толщина такого пограничного слоя не превышает 1 км.

Д.Ю. Пущаровский, Ю.М. Пущаровский (МГУ им. М.В. Ломоносова)

Сейсмическая модель строения Земли

Рис. 1. Схема глубинного строения Земли

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

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

Таблица 1. Минеральный состав пиролита (по Л. Лиу, 1979)

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

Рис. 2. Изменение объемных про- порций минералов пиролита при возрастании давлений (глуби- ны), по М. Акаоги (1997). Условные обозначения минералов: Ol - оливин, Gar - гранат, Cpx - моноклинные пироксены, Opx - ромбические пироксены, MS - "модифицирован- ная шпинель", или вадслеит (b-(Mg, Fe)2SiO4), Sp - шпинель, Mj - меджорит Mg3(Fe, Al, Si)2(SiO4)3, Mw - магнезиовюстит (Mg, Fe)O, Mg-Pv -Mg-перовскит, Cа-Pv-Cа- перовс- кит, X - предпо- лагаемые Al-содер- жащие фазы со структурами типа ильменита, Cа-феррита и/или голландита

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

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

Все предложенные в настоящее время модели состава мантийных пород допускают содержание в них Al2O3 в количестве ~4 вес. %, которое также влияет на специфику структурных превращений. При этом отмечается, что в отдельных областях неоднородной по составу верхней мантии Al может быть сосредоточен в таких минералах, как корунд Al2O3 или кианит Al2SiO5 , который при давлениях и температурах, cответствующих глубинам ~450 км, трансформируется в корунд и стишовит - модификацию SiO2, структура которой содержит каркас из SiO6 октаэдров. Оба этих минерала сохраняются не только в низах верхней мантии, но и глубже.

Важнейший компонент химического состава зоны 400-670 км - вода, содержание которой, по некоторым оценкам, составляет ~0,1 вес. % и присутствие которой в первую очередь связывают с Mg-силикатами . Количество запасенной в этой оболочке воды столь значительно, что на поверхности Земли оно составило бы слой мощностью 800 м.

Состав мантии ниже границы 670 км

Проведенные в последние два-три десятилетия исследования структурных переходов минералов с использованием рентгеновских камер высокого давления позволили смоделировать некоторые особенности состава и структуры геосфер глубже границы 670 км. В этих экспериментах исследуемый кристалл помещается между двумя алмазными пирамидами (наковальнями) , при сжатии которых создаются давления, соизмеримые с давлениями внутри мантии и земного ядра. Тем не менее в отношении этой части мантии, на долю которой приходится более половины всех недр Земли, по-прежнему остается много вопросов. В настоящее время большинство исследователей согласны с идеей о том, что вся эта глубинная (нижняя в традиционном понимании) мантия в основном состоит из перовскитоподобной фазы (Mg,Fe)SiO3, на долю которой приходится около 70% ее объема (40% объема всей Земли), и магнезиовюстита (Mg, Fe)O (~20 %). Оставшиеся 10% составляют стишовит и оксидные фазы, содержащие Ca, Na, K, Al и Fe, кристаллизация которых допускается в структурных типах ильменита-корунда (твердый раствор (Mg, Fe)SiO3-Al2O3), кубического перовскита (CaSiO3) и Са-феррита (NaAlSiO4). Образование этих соединений связано с различными структурными трансформациями минералов верхней мантии . При этом одна из основных минеральных фаз относительно гомогенной оболочки, лежащей в интервале глубин 410-670 км, - шпинелеподобный рингвудит трансформируется в ассоциацию (Mg, Fe)-перовскита и Mg-вюстита на рубеже 670 км, где давление составляет ~24 ГПа. Другой важнейший компонент переходной зоны - представитель семейства граната пироп Mg3Al2Si3O12 испытывает превращение с образованием ромбического перовскита (Mg, Fe)SiO3 и твердого раствора корунда-ильменита (Mg, Fe)SiO3 - Al2O3 при несколько больших давлениях. С этим переходом связывают изменение скоростей сейсмических волн на рубеже 850-900 км, соответствующем одной из промежуточных сейсмических границ. Трансформация Са-граната андрадита при меньших давлениях ~21 ГПа приводит к образованию еще одного упомянутого выше важного компонента нижней мантии - кубического Са-перовскита CaSiO3 . Полярное отношение между основными минералами этой зоны (Mg,Fe)- перовскитом (Mg,Fe)SiO3 и Mg-вюститом (Mg, Fe)O варьирует в достаточно широких пределах и на глубине ~1170 км при давлении ~29 ГПа и температурах 2000-2800 0С меняется от 2: 1 до 3: 1.

Исключительная стабильность MgSiO3 со структурой типа ромбического перовскита в широком диапазоне давлений, соответствующих глубинам низов мантии, позволяет считать его одним из главных компонентов этой геосферы. Основанием для этого заключения послужили эксперименты, в ходе которых образцы Mg-перовскита MgSiO3 были подвергнуты давлению, в 1,3 млн раз превышающему атмосферное, и одновременно на образец, помещенный между алмазными наковальнями, воздействовали лазерным лучом с температурой около 2000 0С.

Таким образом смоделировали условия, существующие на глубинах ~2800 км, то есть вблизи нижней границы нижней мантии. Оказалось, что ни во время, ни после эксперимента минерал не изменил свои структуру и состав. Таким образом, Л. Лиу, а также Е. Ниттл и Е. Жанлоз пришли к выводу, согласно которому стабильность Mg-перовскита позволяет рассматривать его как наиболее распространенный минерал на Земле, составляющий, по-видимому, почти половину ее массы.

Не меньшей устойчивостью отличается и вюстит FexO, состав которого в условиях нижней мантии характеризуется значением стехиометри- ческого коэффициента х < 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.

Следует отметить, что в преобладающих на больших глубинах перовскитоподобных фазах может содержаться весьма ограниченное количество Fe, а повышенные концентрации Fe среди минералов глубинной ассоциации характерны лишь для магнезиовюстита. При этом для магнезиовюстита доказана возможность перехода под воздействием высоких давлений части содержащегося в нем двухвалентного железа в трехвалентное, остающееся в структуре минерала, с одновременным выделением соответствующего количества нейтрального железа. На основе этих данных сотрудники геофизической лаборатории Иститута Карнеги Х. Мао, П. Белл и Т. Яги выдвинули новые идеи о дифференциации вещества в глубинах Земли. На первом этапе благодаря гравитационной неустойчивости магнезиовюстит погружается на глубину, где под воздействием давления из него выделяется некоторая часть железа в нейтральной форме. Остаточный магнезиовюстит, характеризую- щийся более низкой плотностью, поднимается в верхние слои, где вновь смешивается с перовскитоподобными фазами. Контакт с ними сопровождается восстановлением стехиометрии (то есть целочисленного отношения элементов в химической формуле) магнезиовюстита и приводит к возможности повторения описанного процесса. Новые данные позволяют несколько расширить набор вероятных для глубокой мантии химических элементов. Например, обоснованная Н. Росс (1997) устойчивость магнезита при давлениях, соответствующих глубинам ~900 км, указывает на возможное присутствие углерода в ее составе.

Выделение отдельных промежуточных сейсмических границ, расположенных ниже рубежа 670, коррелирует с данными о структурных трансформациях мантийных минералов , формы которых могут быть весьма разнообразными. Иллюстрацией изменения многих свойств различных кристаллов при высоких значениях физико-химических параметров, соответствующих глубинной мантии, может служить, согласно Р. Жанлозу и Р. Хейзену, зафиксированная в ходе экспериментов при давлениях 70 гигапаскалей (ГПа) (~1700 км) перестройка ионноковалентных связей вюстита в связи с металлическим типом межатомных взаимодействий. Рубеж 1200 может соответствовать предсказанной на основе теоретических квантово-механических расчетов и впоследствии смоделированной при давлении ~45 ГПа и температуре ~2000 0С перестройке SiO2 со структурой стишовита в структурный тип CaCl2 (ромбический аналог рутила TiO2), а 2000 км - его последующему преобразованию в фазу со структурой, промежуточной между a-PbO2 и ZrO2 , характеризующуюся более плотной упаковкой кремнийкислородных октаэдров (данные Л.С. Дубровинского с соавторами). Также начиная с этих глубин (~2000 км) при давлениях 80-90 ГПа допускается распад перовскитоподобного MgSiO3, сопровождающийся возрастанием содержания периклаза MgO и свободного кремнезема. При несколько большем давлении (~96 ГПа) и температуре 800 0С установлено проявление политипии у FeO, связанное с образованием структурных фрагментов типа никелина NiAs, чередующихся с антиникелиновыми доменами, в которых атомы Fe расположены в позициях атомов As, а атомы О - в позициях атомов Ni. Вблизи границы D" происходит трансформация Al2O3 со структурой корунда в фазу со структурой Rh2O3, экспериментально смоделированная при давлениях ~100 ГПа, то есть на глубине ~2200-2300 км. " использованием метода мессбауэровской спектроскопии при таком же давлении обоснован переход из высокоспинового (HS) в низкоспиновое состояние (LS) атомов Fe в структуре магнезиовюстита, то есть изменение их электронной структуры. В связи с этим следует подчеркнуть, что структура вюстита FeО при высоком давлении характеризуется нестехиометрией состава, дефектами атомной упаковки, политипией, а также изменением магнитного упорядочения, связанного с изменением электронной структуры (HS => LS - переход) атомов Fe. Отмеченные особенности позволяют рассматривать вюстит как один из наиболее сложных минералов с необычными свойствами, определяющими специфику обогащенных им глубинных зон Земли вблизи границы D".

Рис. 3. Тетрагональная струк- тура Fe7S-возможного компо- нента внутреннего (твердого) ядра, по Д.М. Шерману (1997)

Сейсмологические измерения указывают на то, что и внутреннее (твердое) и внешнее (жидкое) ядра Земли характеризуются меньшей плотностью по сравнению со значением, получаемым на основе модели ядра, состоящего только из металлического железа при тех же физико-химических параметрах. Это уменьшение плотности большинство исследователей связывают с присутствием в ядре таких элементов, как Si, O, S и даже О, образующих сплавы с железом. Среди фаз, вероятных для таких "фаустовских" физико-химических условий (давления ~250 ГПа и температуры 4000-6500 0С), называются Fe3S с хорошо известным структурным типом Cu3Au и Fe7S , структура которого изображена на рис. 3. Другой предполагаемой в ядре фазой является b-Fe, структура которой характеризуется четырехслойной плотнейшей упаковкой атомов Fe. Температура плавления этой фазы оценивается в 5000 0С при давлении 360 ГПа. Присутствие водорода в ядре долгое время вызывало дискуссию из-за его низкой растворимости в железе при атмосферном давлении. Однако недавние экспериме- нты (данные Дж. Бэддинга, Х. Мао и Р. Хэмли (1992)) позволили установить, что гидрид железа FeH может сформироваться при высоких температурах и давлениях и оказывается устойчив при давлениях, превышающих 62 ГПа, что соответствует глубинам ~1600 км. В этой связи присутствие значительных количеств (до 40 мол. %) водорода в ядре вполне допустимо и снижает его плотность до значений, согласующихся с данными сейсмологии.

Можно прогнозировать, что новые данные о структурных изменениях минеральных фаз на больших глубинах позволят найти адекватную интерпретацию и другим важнейшим геофизическим границам, фиксируемым в недрах Земли. Общее заключение таково, что на таких глобальных сейсмических рубежах, как 410 и 670 км, происходят значительные изменения в минеральном составе мантийных пород . Минеральные преобразования отмечаются также и на глубинах ~850, 1200, 1700, 2000 и 2200-2300 км, то есть в пределах нижней мантии. Это весьма важное обстоятельство, позволяющее отказаться от представления об ее однородной структуре.

К 80-м годам XX века сейсмологические исследования методами продольных и поперечных сейсмических волн, способных проникать через весь объем Земли, а потому названных объемными в отличие от поверхностных, распределяющихся лишь по ее поверхности, оказались уже настолько существенными, что позволили составлять карты сейсмических аномалий для разных уровней планеты. Фундаментальные работы в этой области выполнены американским сейсмологом А. Дзевонски и его коллегами .

На рис. 4 приведены образцы подобных карт из серии, опубликованной в 1994 году, хотя первые публикации появились на 10 лет раньше. В работе приведены 12 карт для глубинных срезов Земли в интервале от 50 до 2850 км, то есть практически охватывающих всю мантию. На этих интереснейших картах легко видеть, что сейсмическая картина на различных уровнях глубины разная. Это видно по площадям и контурам распространения сейсмоаномальных ареалов , особенностям переходов между ними и вообще по общему облику карт. Отдельные из них отличаются большой пестротой и контрастностью в распределении областей с различными скоростями сейсмических волн (рис. 5), тогда как на других видны более сглаженные и простые соотношения между ними.

В том же, 1994 году вышла в свет аналогичная работа японских геофизиков . В ней приведены 14 карт для уровней от 78 до 2900 км. На обеих сериях карт ясно видна тихоокеанская неоднородность, которая хоть и меняется в очертаниях, но прослеживается вплоть до земного ядра. За пределами этой крупной неоднородности сейсмическая картина усложняется, значительно меняясь при переходе от одного уровня к другому. Но, сколь бы значительно ни было различие этих карт, между отдельными из них просматриваются черты сходства. Они выражаются в некотором подобии в размещении в пространстве положительных и отрицательных сейсмоаномалий и в конечном счете в общих особенностях глубинной сейсмоструктуры. Это позволяет группировать такие карты, что дает возможность выделять внутримантийные оболочки разного сейсмического облика. И такая работа была выполнена . На основе анализа карт японских геофизиков оказалось возможным предложить существенно более дробную структуру мантии Земли , показанную на рис. 5, по сравнению с традиционной моделью земных оболочек.

Принципиально новыми являются два положения:

Как же соотносятся предлагаемые границы глубинных геосфер с ранее обособленными сейсмологами сейсмическими рубежами? Сопоставление показывает, что нижняя граница средней мантии коррелирует с рубежом 1700, глобальная значимость которого подчеркнута в работе . Ее верхняя граница примерно соответствует рубежам 800-900. Это касается верхней мантии, то здесь расхождений нет: ее нижняя граница представлена рубежом 670, а верхняя - рубежом Мохоровичича. Особо обратим внимание на неопределенность верхней границы нижней мантии. В процессе дальнейших исследований, возможно, окажется, что намеченные недавно сейсмические рубежи 1900 и 2000 позволят внести коррективы в ее мощность. Таким образом, результаты сопоставления свидетельствуют о правомерности предлагаемой новой модели структуры мантии.

Заключение

Исследование глубинного строения Земли относится к наиболее крупным и актуальным направлениям геологических наук. Новая стратификация мантии Земли позволяет значительно менее схематично, чем прежде, подойти к сложной проблеме глубинной геодинамики. Различие в сейсмических характеристиках земных оболочек (геосфер), отражающих различие в их физических свойствах и минеральном составе, создает возможности для моделирования геодинамических процессов в каждой из них в отдельности. Геосферы в этом смысле, как теперь совершенно ясно, обладают известной автономностью. Однако эта исключительно важная тема лежит за рамками данной статьи. От дальнейшего развития сейсмотомографии, как и некоторых других геофизических исследований, а также изучения минерального и химического состава глубин будут зависеть существенно более обоснованные построения в отношении состава, структуры, геодинамики и эволюции Земли в целом.

Список литературы

Geotimes. 1994. Vol. 39, N 6. P. 13-15.

Ross A. The Earths Mantle Remodelled // Nature. 1997. Vol. 385, N 6616. P. 490.

Thompson A.B. Water in the EarthХs Upper Mantle // Nature. 1992. Vol. 358, N 6384. P. 295-302.

Пущаровский Д.Ю. Глубинные минералы Земли // Природа. 1980. N 11. С. 119-120.

Su W., Woodward R.L., Dziewonski A.M. Degree 12 Model of Shear Velocity Heterogeneity in the Mantle // J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99, N B4. P. 6945-6980.

J. Geol. Soc. Japan. 1994. Vol. 100, N 1. P. VI-VII.

Пущаровский Ю.М. Сейсмотомография и структура мантии: Тектонический ракурс // Доклады АН. 1996. Т. 351, N 6. С. 805-809.

Разделы