Table of Contents

Мантия Земли — это гораздо больше, чем монотонный слой горячей породы; это динамичная, активная система, которая управляет почти каждым геологическим процессом, который мы наблюдаем на поверхности. Растянувшись от основания коры до края внешнего ядра, эта толстая оболочка силикатного материала составляет примерно 84% объема планеты. Его медленное, извивающееся движение приводит в движение тектонические плиты, питает вулканы и формирует горные хребты в течение миллионов лет. Понимание состава, структуры и поведения мантии имеет важное значение не только для интерпретации прошлого Земли, но и для прогнозирования ее будущей геологической деятельности. В этой статье исследуется мантия как слой глубокой сложности, подробно описывается ее физическая география, минералогия и силы, которые делают ее двигателем нашей планеты.

Положение мантии, масштаб и внутренние подразделения

Мантия находится прямо под земной корой и над жидким внешним ядром, простираясь от средней глубины около 5-70 километров (в зависимости от толщины коры) до 2900 километров (1800 миль). Ее огромный объем и масса означают, что даже небольшие изменения ее свойств имеют глобальные последствия. Геологи делят мантию на несколько отдельных зон на основе скоростей сейсмических волн, химического состава и физического поведения.

Верхняя мантия и граница литосферы и астеносферы

Верхняя часть мантии, от разрыва Мохоровичича (Мохо) до глубины около 410 километров (255 миль), известна как верхняя мантия. Сама вершина этой области является жесткой и вместе с находящейся на поверхности корой образует литосферу. Ниже литосферы лежит астеносфера, зона относительно низкой сейсмической скорости и более высокой пластичности. Астеносфера ведет себя как механически слабый слой, который позволяет жестким литосферным пластинам скользить и дрейфовать. Эта граница является не острым интерфейсом, а постепенным переходом, где частичное плавление (обычно 1-5%) смазывает движение плит.

Переходная зона (410-660 км)

Между 410 и 660 километрами глубины мантия претерпевает значительные фазовые изменения в составляющих её минералах. На 410 км оливин превращается в вадслейт (спинельная структура), а на 520 км вадслейит далее изменяется на рингвудит. Наиболее драматический переход происходит на 660 км, где рингвудит распадается на бриджманит и ферропериклазу. Эту границу часто считают делением между верхней и нижней мантией, поскольку она знаменует собой значительное увеличение плотности и изменение сейсмической скорости. Зона перехода также играет ключевую роль в хранении воды; исследования показывают, что рингвудит может содержать до 1—2% воды по весу.

Нижняя мантия (660–2900 км)

Нижняя мантия, иногда называемая мезосферой, простирается от 660 км до границы ядра-мантии. Эта область характеризуется гораздо более высокими давлениями (до 136 ГПа) и температурами (4,000 ° C или выше). Основными минералами здесь являются бриджманит (силикат магния перовскитного типа высокого давления) и ферропериклаза. Нижняя мантия менее вовлечена в активную тектонику плит, но имеет решающее значение для долгосрочной тепловой эволюции планеты. Сейсмологическая визуализация выявила большие низкоскоростные области (LLSVPs) в самой нижней мантии, которые, как полагают, являются плотными термохимическими свай, которые могут влиять на генерацию мантийного шлейфа.

Химический и минеральный состав мантии

Состав мантии в основном ультрамафичен. По отношению к коре он истощается в кремнеземе и обогащается магнием и железом. Наиболее распространенным типом породы в мантии является перидотит, который состоит в основном из оливина (обычно 40-60%), ортопироксена, клинопироксена и световой фазы (гранат на больших глубинах). Точные пропорции этих минералов изменяются с глубиной, поскольку стабильные фазы давления заменяют формы низкого давления.

Основной элемент химия

По массе мантия состоит примерно из 45% кислорода, 22% магния, 21% кремния, 6% железа, 2% кальция, 2% алюминия и меньших количеств натрия, калия, хрома и никеля. По сравнению с корой мантия имеет гораздо меньшую концентрацию несовместимых элементов (те, которые предпочитают входить в расплав, а не твердый остаток). Эта химическая подпись имеет решающее значение для понимания плавления мантии и образования коры. Например, базальты среднего океанического хребта (MORBs) получены из верхней мантии и отображают специфические соотношения микроэлементов, которые отражают их источник.

Минеральные сборки в глубине

  • Оливина: Доминирующий минерал в верхней мантии (до 410 км).Его упругие свойства сильно влияют на сейсмические скорости.
  • Вадслейт и Рингвудит: Полиморфы оливина высокого давления, обнаруженные в переходной зоне, их наличие объясняет сейсмические разрывы на 410 и 660 км.
  • Бриджманит: Наиболее обильный минерал в нижней мантии (около 38% по объёму всей Земли). Он имеет перовскитную структуру и может включать в себя значительное количество железа и алюминия.
  • Ферропериклаза: (Mg,Fe)O, вторая наиболее распространенная фаза в нижней мантии. Его физические свойства влияют на тепловой поток и вязкость.
  • Гарнет (FLT:0) Гарнет (FLT:1): Стабильный в верхней мантии и переходной зоне; ниже ~700 км он превращается в фазу, похожую на перовскит, называемую майоритом.

Недавние лабораторные эксперименты при экстремальных давлениях и температурах также обнаружили постперовскитную фазу (структуру феррита кальция) вблизи границы ядра-мантии, что может объяснить некоторые особенности слоя D.

Следы элементов и валатилей

Помимо основных элементов, мантия содержит небольшие, но важные концентрации летучих веществ (вода, углекислый газ, сера, галогены). Даже следовые количества воды (от десятков до сотен ppm) резко снижают температуру плавления перидотита и уменьшают вязкость мантии. Водный бюджет мантии хранится в основном в номинально безводных минералах, таких как оливин и пироксен, которые могут включать водород в качестве дефектов точки. Понимание глубоководного цикла имеет важное значение для связи динамики мантии с тектоникой плит и вулканической активностью.

Физические свойства: температура, давление и градиенты плотности

Мантия представляет собой область крутых градиентов. Температура увеличивается примерно с 1 300 ° C вблизи Мохо до более 3 700 ° C на границе ядра-мантии. Геотермальный градиент через литосферу составляет примерно 25-30 ° C на километр, но в конвективной астеносфере градиент становится намного более мелким (адиабатичным) при около 0,3-1 ° C на километр. Давление увеличивается с глубиной примерно 0,3 ГПа на километр в верхней мантии, достигая около 24 ГПа на 660 км и 136 ГПа на границе ядра-мантии. Плотность поднимается от около 3,3 г / см3 в мелкой верхней мантии до более 5,5 г / см3 в самой нижней мантии.

Переходы фазы и их последствия

Фазовые переходы играют двойственную роль: они изменяют физические свойства мантийного материала и могут либо препятствовать, либо ускорять конвективный поток.Экзотермический переход от оливина к вадслейту на 410 км имеет тенденцию усиливать апвеллинг, в то время как эндотермический переход от рингвудита к бриджманиту на 660 км выступает в качестве барьера, который может препятствовать вертикальному смешиванию.Этот «660-километровый барьер» может позволить наслоение конвекции, хотя большинство геодинамических моделей благоприятствует конвекции цельной мантии с некоторой степенью смешивания через эту границу.

Вязкость и реология

Вязкость мантии неоднородна; она изменяется на несколько порядков с глубиной, температурой, составом и механизмом деформации. Верхняя мантия (астеносфера) имеет вязкость от 10^19 до 10^21 Па·с, что делает ее достаточно пластичной, чтобы течь в геологических временных масштабах. Нижняя мантия примерно в десять-сто раз более вязкая. Эта вязкая структура контролирует скорость погружения субдукционных плит, подъем мантийных плюмов и время отставания после ледникового отскока. Наблюдения подъема Скандинавии и Канады после последнего ледникового периода обеспечивают ограничения вязкости мелкой мантии.

Мантийная конвекция: двигатель тектоники плит

Мантия находится в состоянии тепловой конвекции: тепло от ядра и от радиоактивного распада внутри мантии создает различия плавучести, которые приводят к медленному, вязкому потоку. Конвекционные клетки переносят горячий материал вверх и холодный материал вниз, аналогично горшку кипящего супа — но в масштабе времени от десятков до сотен миллионов лет и со скоростью несколько сантиметров в год.

Движущие силы: Slab Pull, Ridge Push и Mantle Drag

Тектоника плит является поверхностной экспрессией конвекции мантии. Основная сила, управляющая движением плиты, - это , тяга плиты : холодная, плотная океаническая литосфера погружается в мантию в зонах субдукции, тянущая остальную часть пластины за ней. , тяга к граничным спускам - гравитационное скольжение литосферы от возвышенных срединно-океанических хребтов - это вторичная сила, которая также вносит свой вклад. Под этими силами астеносфера оказывает вязкое сопротивление на основание литосферы. Численное моделирование показывает, что тяга плиты составляет примерно 90% движущей силы движения плиты.

Обстановка и мантийные сливы

Не весь поток мантии организован в большие конвекционные ячейки. Некоторые тепловые выходы через узкие цилиндрические струи горячей породы, называемые мантийными плюмами. Пламмы возникают на границе ядра-мантии, поднимаются через всю мантию и производят объемный базальтовый вулканизм, когда они достигают поверхности. Примеры включают цепь Гавайско-императорских горных вершин, Исландию и ловушки Декана. Существование мантийных плюмов поддерживается сейсмическими томографическими изображениями, показывающими низкоскоростные каналы, простирающиеся глубоко в нижнюю мантию, а также систематической возрастной прогрессией вулканов горячей точки. Согласно гипотезе , эти особенности касаются относительно первичного резервуара низкой плотности, который не был полностью смешан с конвекционной мантией.

Оригинальное название: Recycling Crust into the Mantle

Зоны субдукции — это участки, где океаническая литосфера изгибается и опускается в мантию. По мере того, как плита опускается, она переносит не только воду и отложения, но и материал коры. Спуск этих плит в нижнюю мантию — теперь подтвержден сейсмической томографией (например, «Томография Фиджи» и изображения плит, спускающихся значительно ниже границы 660 км) — демонстрирует, что конвекция мантии по крайней мере частично является цельной мантией. Подведенный материал подвергается прогрессирующему нагреванию, обезвоживанию и в конечном итоге метаморфическим фазовым изменениям, которые могут вызвать землетрясения на глубинах до 700 км. Жидкости, высвобождаемые из плиты, опускают точку плавления накладывающегося мантийного клина, создавая дуговые магмы и взрывные вулканы.

Геологические явления, управляемые мантией

Медленный овертюр мантии порождает широкий спектр драматических поверхностных явлений, которые не случайны, а концентрируются вдоль границ плит, где мантийные процессы взаимодействуют с хрупкой литосферой.

вулканизм

Вулканические извержения являются наиболее заметным проявлением мантийной активности. В срединно-океанических хребтах декомпрессионное плавление поднимающейся мантии производит базальтовую магму, образующую новую океаническую кору. В зонах субдукции высвобождение летучих веществ из тонущей плиты вызывает плавление в мантийном клине, приводя к андезиту к риолитному вулканизму по дугам (например, Тихоокеанскому кольцу огня). Интраплататный вулканизм, такой как на Гавайях или Йеллоустоуне, приписывается плюмам или мелкой неоднородности мантии. Состав извергающихся лав обеспечивает геохимические отпечатки пальцев, которые помогают сдерживать области источника мантии.

Землетрясения

Большинство землетрясений происходит в литосфере, но землетрясения с глубоким фокусом (до 700 км) происходят в субдукционных плитах в мантии. Их механизм не простой хрупкий перелом; вместо этого, как полагают, они вызваны трансформационными разломами — внезапным изменением объема, связанным с фазовыми переходами (например, оливин к вадслейту) в холодных плитах. Распределение глубоких землетрясений помогает картировать геометрию субдукционных плит и их температурные профили.

Горное строительство и формирование бассейна

Столкновение орогении, такое как образование Гималаев, включает конвергенцию двух континентальных блоков. Подстилающая мантия играет решающую роль, обеспечивая плавучесть, которая препятствует глубокому субдукции континентальной литосферы. Вместо этого кора утолщается и поднимается. Конвекция мантии также контролирует динамическую топографию поверхности Земли — длинноволновые, низкоамплитудные вертикальные движения, вызванные потоком мантии, независимо от изостаза коры. Например, считается, что широкий подъем южной Африки поддерживается горячим, поднимающимся мантийным шлейфом под континентом.

Мантия и глобальный рок-цикл

Мантия является не только источником магматических пород; она также является конечным хранилищем для переработанного материала коры. Рок-цикл включает в себя процессы плавления, кристаллизации, метаморфизма, выветривания и переноса осадков, но мантия обеспечивает конвейерную ленту для глубокой переработки. В средних океанических хребтах частичное плавление извлекает базальтовый расплав из мантии, оставляя истощенный остаток (харцбургит). Эта истощенная литосфера в конечном итоге становится более плотной и старой, и когда она субдукционирует, она частично перемешивается с окружающей мантией. Некоторые глубоко субдукционированные корки могут выживать в виде различных геохимических гетерогенных явлений, которые позже становятся источниками для океанических островных базальтов (OIBs). Баланс между извлечением коры и переработкой регулирует долгосрочную химическую эволюцию Земли.

Частичное таяние и магма генезис

Таяние в мантии происходит в основном при декомпрессии (на гребнях и плюмах) или при плавлении потока (в зонах субдукции). Степень частичного плавления колеблется от около 10-20% на средних океанических гребнях до менее 5% в некоторых интраплатажных условиях. Состав полученной магмы зависит от глубины плавления, источника минералогии и степени фракционной кристаллизации. Например, плавление под высоким давлением в присутствии граната производит расплавы с характерным тяжелым истощением редкоземельных элементов, используемым в качестве индикатора глубины плавления.

Изучение мантии: методы и границы

Поскольку мантия недоступна для прямого отбора проб за несколько километров (самая глубокая буровая скважина Кольского суперглубокого скважинного отверстия, достигшая всего 12,3 км), геофизики полагаются на косвенные методы для исследования ее свойств.

Сейсмическая томография

Подобно тому, как КТ сканирует изображение внутренней части человеческого тела, сейсмическая томография использует тысячи волн землетрясений для построения 3D-изображений структуры скорости мантии. Изменения в скоростях P-волн и S-волн выявляют температурные аномалии, композиционные различия и местоположение субдуктивных плит и шлейфов. Недавние глобальные модели из проекта EarthScope и других инициатив сфотографировали целые субдукционные пластины, спускающиеся к границе ядра-мантии, а также LLSVP под Африкой и Тихим океаном.

Ксенолиты и мантийные образцы

Ксенолиты — фрагменты мантийной породы, выносимые на поверхность вулканическими извержениями, — обеспечивают прямые образцы верхней мантии. Эти породы, как правило, перидотиты и эклогиты, анализируются на предмет минеральной химии, содержания воды и изотопных соотношений. Кимберлитовые трубы, такие как трубы в Южной Африке и Канаде, являются богатыми источниками мантийных ксенолитов и даже алмазных включений. Лабораторные эксперименты при высоких давлениях и температурах (с использованием многонаковых прессов и алмазно-наковых клеток) воспроизводят условия мантии для изучения фазовых переходов и свойств материала.

Геодинамика и численное моделирование

Компьютерное моделирование конвекции мантии становится все более сложным, включающим реалистичную реологию, фазовые переходы и тепловые параметры. Эти модели помогают объяснить структуру тектоники плит, временную эволюцию горячих точек и долгосрочное охлаждение Земли. Вычислительная инфраструктура для геодинамики предоставляет инструменты с открытым исходным кодом для сообщества. Модели также решают вопросы о помешивающей эффективности мантии и выживании древних неоднородностей.

Геохимические прокси

Радиогенные изотопы (Sr, Nd, Pb, Hf) в базальтах показывают, что мантия композиционно неоднородна. «мантийный зоопарк» включает обедненную мантию MORB (DMM), обогащенные типы мантии (EM1, EM2) и компонент «высокого мк», характеризующийся высокими соотношениями 206Pb/204Pb. Эти изотопные сигнатуры, как полагают, представляют переработанную океаническую кору, древнюю субконтинентальную литосферу или примитивный материал из границы ядра-мантии. Благородные газы (He, Ne, Ar) в образцах мантии указывают, что некоторые глубокие источники мантии содержат примитивный, нефракционированный компонент, который не был полностью дегазирован.

Заключение

Мантия Земли — слой необычайной сложности, лежащий в основе всей области физической географии и геодинамики. Её состав, начиная от богатых магнием минералов в верхнем регионе и заканчивая плотными перовскитами в глубине недр, фиксирует многолетнюю историю дифференциации суши. Медленная конвекция мантии приводит в движение неустанные тектонические плиты, порождая землетрясения, извержения вулканов и горные пояса. При этом она выступает в качестве огромного химического резервуара, перерабатывая материал земной коры и регулируя тепловой бюджет планеты. По мере того, как сейсмическая визуализация, экспериментальная петрология и численное моделирование продолжают развиваться, наша способность визуализировать и понимать этот скрытый двигатель будет только углубляться. Для студентов физической географии мантия — это не просто неясный слой; это активная, трехмерная система, которая соединяет поверхность, которую мы населяем, с глубокой Землей.