Что такое нижняя мантия

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Три различия между верхней и нижней мантией

Земля – динамичная планета. Он состоит из слоев: коры, мантии и ядра. Сама мантия представляет собой интересную зону с различиями между верхней и нижней мантией. Это помогает изучить определение верхней и нижней мантии, а также их отличительные характеристики, чтобы лучше понять геологическое поведение Земли.

Возможно, вы помните, как в начальной школе вылепляли модель Земли из глины. Эта модель будет иметь разрез, вероятно, показывающий три отдельных слоя: кору, мантию и ядро. Однако истинная природа внутреннего строения Земли более сложна.

Самый внешний тонкий слой, называемый корой, является домом для жизни на Земле. Это поверхность, по которой вы идете, а также горы и другие ландшафты, которые вы видите. Каким бы огромным ни казался этот слой, кора составляет всего около 1% всей планеты.

Мантия находится под корой. Этот регион составляет примерно 84 процента Земли. Кора и часть верхней мантии перемещаются из-за конвекции тепла внутри Земли. Это называется тектоникой плит. Это движение тектонических плит вызывает землетрясения и образует горы. Тепло образуется в результате радиоактивного распада элементов глубоко внутри Земли. Со временем это конвективное действие изменило расположение континентов. Постепенное поднятие и падение материала в мантии может вызвать появление магмы через извержение вулканов. Между верхней мантией и ядром лежит нижняя мантия.

Под нижней мантией ядро составляет центр Земли и содержит в основном железо и никель. Его внешний слой жидкий, но самый внутренний слой твердый из-за невероятного давления. Считается, что это ядро вращается быстрее, чем другие слои планеты. Также предполагается, что он состоит в основном из железа, но новые открытия показывают странное поведение минералов. Ученые полагают, что источником магнитных полей Земли является конвективное действие расплавленного внешнего ядра, которое может вытеснять текущие электрические токи.

Определение верхней мантии – это просто слой прямо под земной корой. Состав мантии состоит в основном из твердых силикатов. Однако есть участки, которые расплавлены. Таким образом, верхняя мантия считается вязкой и обладает как твердыми, так и пластичными характеристиками. Верхняя мантия вместе с земной корой включает то, что называется литосферой. Литосфера имеет толщину примерно 120 миль или 200 километров. Здесь существуют тектонические плиты. Под литосферой вы найдете астеносферу. Литосфера по существу скользит по астеносфере в виде серии тектонических плит. Глубина верхней мантии колеблется от 250 до 410 миль (от 403 до 660 км). На этой глубине горная порода может превращаться в магму. Затем магма поднимается из-за конвекции и по мере распространения образует кору дна океана. Эта преимущественно силикатная магма также содержит растворенный диоксид углерода. Эта комбинация приводит к плавлению горных пород при более низких температурах, чем без углекислого газа.

Определение нижней мантии – это область внутри Земли, которая находится под верхней мантией. На этом уровне давление намного выше, чем в верхней мантии, поэтому нижняя мантия менее вязкая. Одна только нижняя мантия составляет примерно 55 процентов объема Земли. Нижняя мантия имеет глубину примерно от 410 до 1796 миль (или от 660 до 2891 км). Его верховья, сразу под верхней мантией, составляют переходную зону. Граница ядро-мантия определяется в самой глубокой точке нижней мантии. Состав нижней мантии состоит из богатого железом перовскита, ферромагнезиального силикатного минерала, который является самым распространенным силикатным минералом на Земле. Но теперь ученые думают, что перовскит существует в разных состояниях в зависимости от температуры и давления в нижней мантии. Нижняя мантия испытывает необычайные давления, влияющие на поведение минералов. Например, одна фаза перовскита не будет содержать железа, а другая возможная фаза будет богата железом и иметь гексагональную структуру. Это называется перовскитом H-фазы. Ученые продолжают исследовать, возможно, новые экзотические минералы глубоко внутри нижней мантии. Очевидно, что этот регион обещает новые интригующие открытия на долгие годы.

Наука сейсмология помогает понять внутреннюю структуру Земли. Данные сейсмологии могут предоставить данные о глубине, давлении и температуре мантии, а также об изменениях минералов в результате этого. Ученые могут изучать характеристики мантии по скорости сейсмических волн после землетрясений. Эти волны движутся быстрее в более плотном материале, где глубина и давление больше. Они могут изучать изменения упругих свойств мантии на границах, называемых сейсмическими неоднородностями. Сейсмические неоднородности представляют собой внезапные скачки скорости сейсмических волн через границу. Там, где в мантии можно найти перовскит, существует сейсмический разрыв, отделяющий нижнюю мантию от верхней. С помощью этих различных методов, а также лабораторных экспериментов и моделирования можно сравнить и сопоставить два верхних слоя мантии. Между верхней и нижней мантией есть три четких различия.

Первое отличие верхней мантии от нижней – это их расположение. Верхняя мантия примыкает к коре, образуя литосферу, тогда как нижняя мантия никогда не контактирует с корой. Фактически было обнаружено, что верхняя мантия содержит разрывы в определенных областях, таких как Индийская тектоническая плита, столкновение которой с азиатской тектонической плитой вызвало множество разрушительных землетрясений. Эти разрывы происходят во многих местах верхней мантии. Области коры над этими разрывами подвергаются большему воздействию тепла мантии, чем другие области, и в этих областях более теплой коры землетрясения не так распространены. Данные исследования показывают, что кора и верхняя мантия в Южном Тибете сильно связаны. Подобная информация может помочь в оценке риска землетрясения.

Температура – одно из различий между двумя верхними слоями мантии. Температура верхней мантии колеблется от 932 до 1652 градусов по Фаренгейту (или от 500 до 900 градусов по Цельсию). Температура нижней мантии, напротив, достигает более 7230 градусов по Фаренгейту или 4000 градусов по Цельсию.

Давление – это большая разница между верхней и нижней мантией. Вязкость верхней мантии больше вязкости нижней мантии. Это потому, что в верхней мантии меньше давления. Давление нижней мантии намного больше. На самом деле давление нижней мантии колеблется от 237000 атмосферное давление до 1,3 миллиона атмосфер! В то время как температура в нижней мантии значительно выше и может плавить горные породы, более высокое давление предотвращает сильное плавление.

Важно изучить характеристики слоев Земли, чтобы лучше понять, как их взаимодействие влияет на жизнь на поверхности. Лучшее знание верхней и нижней мантии может помочь в риске землетрясения. Геологи могут узнать больше о вязкости тающих горных пород и их характеристиках при увеличении давления и глубины. Понимание слоев Земли также помогает определить, как Земля была сформирована. Хотя люди еще не могут проникнуть в глубины Земли так, как они могут исследовать моря и космос, ученые позволяют предсказать экзотические свойства верхней и нижней мантии.

Источник

Нижняя мантия

Химический состав нижней мантии.

Минералы нижней мантии

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.(Пущаровский Д.Ю., Пущаровский М.Ю., 1998).
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. 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.

5000 K, что намного выше 3800°С, предполагаемой для этого уровня (при средних температурах мантии

2500°С в основании нижней мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300°С). 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.

Источник

Мантия Земли

Ма́нтия — часть Земли (геосфера), расположенная непосредственно под корой и выше ядра. В мантии находится большая часть вещества Земли. Мантия есть и на других планетах. Земная мантия находится в диапазоне от 30 до 2900 км от земной поверхности.

Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо. На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей — от 7 до 8—8,2 км/с. Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670 км.

В начале 17 века активно обсуждалась природа границы Мохоровичича. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такой реакции предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит, и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмических волн изменением состава пород — от относительно лёгких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Это точка зрения сейчас является общепризнанной.

Отличие состава земной коры и мантии — следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть — кору и плотную и тугоплавкую мантию.

Содержание

Источники информации о мантии

Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.

Мантию изучают по следующим данным:

Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно наблюдать геологические соотношения между различными породами.

Недавно было объявлено, что японские исследователи планируют предпринять попытку пробурить океаническую кору до мантии. Начало бурения планируется на 2007 год. Обсуждалась также возможность проникновения к границе Мохоровичича и в верхнюю мантию с помощью самопогружающихся вольфрамовых капсул, обогреваемых теплом распадающихся радионуклидов (M.I. Ojovan, F.G.F. Gibb, P.P. Poluektov, E.P. Emets. Probing of the interior layers of the Earth with self-sinking capsules. Atomic Energy, 99, No. 2, 556—562 (2005)).

Состав мантии

Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты, карбонатиты.

Строение мантии

Процессы, идущие в мантии, оказывают самое непосредственное влияние на земную кору и поверхность земли, являются причиной движения континентов, вулканизма, землетрясений, горообразования и формирования рудных месторождений. Всё больше свидетельств того, что на саму мантию активно влияет металлическое ядро Земли.

Источник

Что такое нижняя мантия

Мантия представляет собой наиболее объёмную и массивную геосферу твёрдой Земли. Мантийное вещество рассматривают, как ранее отмечалось, в качестве первичной земной материи, испытавшей глубокую дифференциацию, за счёт которой образовались ядро и кора Земли (Рис. 2.25). Основными методами изучения этого вещества являются сейсмические и лабораторные исследования.

Нарастание скоростей сейсмических волн и прохождение сквозь ман-тию поперечных колебаний свидетельствуют об увеличении плотности ве-щества с глубиной и нахождении его в эффективно твёрдом состоянии. Состав современной мантии по представлениям многих учёных [23, 24] соответствует составу пиролита (Рис. 2.26).

При этом геофизики [24 и др.] обычно принимают модель однородной в химическом отношении мантии, а геохимики часто считают [14 и др.], что нижняя мантия в сравнении с верхней несколько обогащена железом и некоторыми другими компонентами. Уплотнение мантийного вещества с глубиной все связывают с фазовыми переходами. В своё время А. Рингвуд по данным экспериментальных исследований перестройки кристаллических структур силикатов под высоким давлением показал, что все изменения плотности мантийного вещества могут быть объяснены уплотнением пиролита при постоянстве его химического состава [23, 24]. Наиболее вероятные и «простые» фазовые переходы отражены на рисунках 2.27 и 2.28 (более подробно особенности состава мантийного вещества будут рассмотрены в следующих подглавах). Термодинамические и некоторые другие параметры мантии по данным разных исследователей приведены на рисунках 2.5 и 2.29.

Источник

Верхняя граница нижней мантии образуется из-за перехода рингвудита в бриджманит

Рис. 1. Синтетический кристалл рингвудита — минерала, который участвует в реакции, приводящей к возникновению верхней границы нижней мантии на глубине 660 км. Фото с сайта sites.northwestern.edu

Земная мантия делится на несколько областей — верхнюю и нижнюю мантии, а также расположенную между ними переходную зону. За такое разграничение, как считается, ответственны превращения одних минералов в другие, поскольку каждый минерал может стабильно существовать в определенном диапазоне температур и давлений. Верхняя граница нижней мантии расположена на глубине около 660 километров и, по данным геофизических исследований, имеет толщину всего около 7 километров. Но до недавнего времени не было точно известно, какая именно реакция происходит на этой глубине. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, закрывает эту дискуссию, подтверждая гипотезу, что за границу отвечает реакция рингвудит → магнезиовюстит + бриджманит, для которой важно изменение давления всего на 0,01 ГПа, что соответствует изменению глубины всего на 250 метров при мантийных температурах.

Химический состав земной мантии во всем интервале от коры (от первых километров до

70 км в глубину) до внешнего ядра (2900 км) примерно один и тот же: набор элементов постоянный, немного меняются лишь их концентрации. Преимущественно это магний, железо, кремний, кислород и, в меньшей степени, алюминий. Однако, несмотря на относительную химическую однородность, между различными зонами мантии (верхней мантией, переходной зоной и нижней мантией) существуют довольно четкие границы, хорошо определяющиеся геофизическими методами. Верхнюю мантию от коры отделяет граница Мохоровичича, расположенная на глубинах от 5 до 80 км, следующая граница находится на глубине около 410 км (410-km discontinuity) и маркирует начало переходной зоны, а граница на глубине около 660 км (660-km discontinuity) обозначает конец переходной зоны и начало нижней мантии (рис. 2).

Рис. 2. Схема строения Земли и основные минералы разных слоев. Рисунок с сайта science.sciencemag.org

Одна из важнейших причин возникновения мантийных границ — превращение одних минералов в другие. Так как для каждого из них характерна своя зона стабильности — промежуток температур и давлений, в которых минерал может существовать, — смена условий приводит к переходу в иные минеральные фазы и формированию границ. Такое превращение может происходить по-разному. Распространенным случаем является полиморфный переход — смена кристаллической структуры соединения (например, за границу на глубине 410 км «отвечает» превращение оливина в вадслеит — оба минерала имеют формулу Mg₂SiO₄) или же просто возникновение новых минералов (распад рингвудита на ферропериклаз (Mg, Fe)O и бриджманит MgSiO₃).

Граница, расположенная на глубине 660 км, маркирует верх нижней мантии. Изучая отраженные от нее Р-волны, геофизики выяснили, что эта граница крайне узкая — менее двух километров толщиной (что более чем в три раза меньше, чем, например, раздел на глубине 410 км, толщина которого оценивается в

На основе геохимических экспериментов было установлено, что верхняя мантия Земли состоит из

60% (Mg, Fe)₂SiO₄ (в зависимости от глубины это либо оливин, либо вадслеит, либо рингвудит) и 40% пироксенов и гранатов. В нижней мантии ситуация несколько иная: там

70% приходится на минералы с формулой (Mg, Fe)SiO₃ (это бриджманит или пост-перовскит), 20% — на ферропериклаз и 10% — на кальциевый перовскит. Так как по расчетам давление на глубине 660 км примерно отвечает давлению, при котором рингвудит разлагается на бриджманит и ферропериклаз:

была выдвинута гипотеза, что за возникновение границы между переходной зоной и нижней мантией отвечает данная реакция. Однако, условия при которых она протекает, были изучены лишь приблизительно, хоть сама граница является крайне важным элементом для объяснения поведения мантийных плюмов и субдуцирующих литосферных плит.

Напрямую залезть в мантию и посмотреть, что там не получится — существующие технологии бурения не позволяют проникать на такую глубину, а на поверхность с нее могут подняться разве что алмазы (см. новость Голубые алмазы сформировались в нижней мантии Земли, «Элементы», 07.09.2018), которые, к сожалению, не несут нужной информации. Эксперименты же по изучению минералов мантии крайне сложны, ведь необходимо одновременно не только контролировать температуру и давление, но и определять химический состав и структуру фаз. Это прямо противоположные задачи: для создания большого давления обычно нужно как можно крепче зажать как можно меньший образец между как можно более толстыми кусками металла или алмаза, а для определения структуры (это делается с помощью рентгеновской дифракции) оптимальной схемой является просто помещение образца в рентгеновский пучок без каких-либо препятствий.

Интервал давлений, которому соответствует граница в несколько километров толщиной, составляет всего около 0,01 ГПа (рис. 3) и, чтобы доказать, что реакция действительно объясняет ее возникновение, требуется очень высокая точность измерения. Предыдущие попытки выяснить, при каких условиях происходит переход рингвудита в бриджманит, давали недостаточно точные результаты — ранее были получены значения с погрешностями

0,2 ГПа (N. Nishiyama et al., 2004. Precise determination of phase relations in pyrolite across the 660 km seismic discontinuity by in situ X-ray diffraction and quench experiments). Главный вывод из этих результатов — интервал давлений, в котором происходит реакция, составляет менее 1 ГПа. То есть точности для того, чтобы «привязать» реакцию к границе, все еще не хватало.

Рис. 3. а — фазовая диаграмма для системы, описывающей границу на глубине 660 км при температуре 1700 К (1427°C); b — сдвиг реакционных взаимоотношений при нагреве на 300 градусов (до 2000 K), например, в случае подъема плюма из мантии. Brg — бриджманит, fPc — ферропериклаз, Rw — рингвудит, St — стишовит По горизонтальной оси показано соотношение магния и железа (в атомных процентах) в реагирующих минералах. Диаграммы из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Международной группе ученых во главе с Такаюки Ишии (Takayuki Ishii) наконец удалось получить параметры этой реакции с точностью до 0,05 ГПа и подтвердить ее решающую роль в возникновении границы 660 км. Результаты были опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature Geoscience.

Основная часть исследований производилась на прессах, размещенных на источниках синхротронного излучения в Германии и Японии. Большая энергия пучка, по сравнению с традиционными источниками, вроде рентгеновских трубок, позволяет получать четкую характеристику структур и минеральных фаз, находящихся под давлением в прессах. Два состава Mg₂SiO₄ (X_Mg100) и (Mg_0,7Fe_0,3)₂SiO₄ (X_Mg70) были загружены вместе с маркером давления (MgO) в капсулы (рис. 4). Рентгеновский спектр оксида магния изменяется, в зависимости от давления, что позволяет точно измерять давление.

Рис. 4. a — Экспериментальная капсула в разрезе: PM — оксид магния (MgO), использующийся для определения давления; b и c — два исследованных состава (фотографии сделаны с помощью растрового электронного микроскопа). TC — термопара, использовавшаяся для контроля температуры. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Благодаря мощности источника удалось четко установить положение пиков на дифракционных спектрах MgO и определять давление с минимальными погрешностями (меньше 0,1 ГПа). Фазовые отношения были определены для различных давлений при фиксированных температурах (1700 и 2000 К, см. рис. 3). Так, для состава X_Mg90, который по существующим гипотезам наиболее точно описывает происходящее на границе 660 км, при 1700 К интервал давлений, в котором рингвудит замещается бриджманитом и ферропериклазом, составляет 0,012 ± 0,008 ГПа, что в условиях мантии соответствует слою толщиной 100–500 метров (то есть в десятки раз меньше, чем ширина границы, полученная геофизическими методами). Если взять более реалистичную оценку мантийной температуры (2000 К), то интервал составит 0,003 ± 0,002 ГПа, то есть толщина пограничного слоя окажется еще меньше.

Рис. 5. Зависимость толщины границы на глубине 660 км от термической структуры. G₁ — модель, в которой температура на всей границе постоянна, в этом случае она имеет толщину

250 м, G₂ и G₃ — промежуточные модели изменения температуры, учитывающие тепловой эффект реакции (30–90 К), G₄ — адиабатическая геотерма, максимальный тепловой эффект, в этом случае толщина границы составляет около 7 км. Черными линиями показано «окно» фазового перехода и его смещение в зависимости от давления и температуры. График из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Однако, термическая структура этой границы несколько сложнее: в этом небольшом интервале температура среды не статична, а зависит также от теплового вклада самой реакции фазового перехода и теплового потока из мантии (J. Verhoogen, 1965. Phase changes and convection in the Earth’s mantle). При этой реакции тепло поглощается, температура снижается и, как следствие, толщина границы увеличивается — максимально до тех самых 7 км. Таким образом можно сделать вывод, что, изучая изменение толщины данной мантийной границы, можно примерно оценивать температуру в каждой ее точке (ведь толщина напрямую от нее зависит). Еще один фактор, который может влиять на толщину границу, — возможное наличие примесей Fe₂O₃ и Al₂O₃, которые изменят химический состав рингвудита и бриджманита, а также могут привести к появлению высокобарного граната. Однако термодинамические расчеты авторов статьи показывают, что даже в этом случае толщина границы остается практически неизменной и решающее влияние оказывает температурный режим.

Полученные результаты не только подтверждают, что верхняя граница нижней мантии на глубине 660 км обязана своим существованием переходу рингвудита в бриджманит, но и позволяют оценить тепловой поток через каждую точку границы, что, в свою очередь, дает возможность уточнить термическую структуру мантии.

Источник: Takayuki Ishii, Rong Huang, Robert Myhill, Hongzhan Fei, Iuliia Koemets, Zhaodong Liu, Fumiya Maeda, Liang Yuan, Lin Wang, Dmitry Druzhbin, Takafumi Yamamoto, Shrikant Bhat, Robert Farla, Takaaki Kawazoe, Noriyoshi Tsujino, Eleonora Kulik, Yuji Higo, Yoshinori Tange & Tomoo Katsura. Sharp 660-km discontinuity controlled by extremely narrow binary post-spinel transition // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0452-1.

Верхнюю мантию от коры отделяет граница Мохоровичича, расположенная на глубинах от 2 до 80 км,

Прошу прощения. Отличная статья, внятно раскрывающая картину кристаллических/минеральных переходов.

Нет, всё понятно, закапываться нет необходимости. Опечатка она и есть опечатка.

сама граница является крайне важным элементом для объяснения поведения мантийных плюмов и субдуцирующих литосферных плит.

:)) что делать, тут только текст. Тоже бы с удовольствием обсудил вживую ряд вопросов. Спасибо за пояснения, посмотрю ссылки; взглянул на картину по-другому. Я как-то сразу и не сообразил, зациклившись на веществе плиты или плюма. Вещество массива внедрения никак не реагирует на границу 660 км, то есть не претерпевает добавочных изменений на этой границе.

Но за «границей 660» меняются свойства среды, в которой массив внедрения движется. Соответственно, изменяются силы, воздействующие на движущийся массив. Именно так, скорее всего, нужно интерпретировать

начинают немного маневрировать и тормозить, а то и застревать,

Источник