Верхняя мантия (Земля) - Upper mantle (Earth)

В верхняя мантия из земной шар это очень толстый слой породы внутри планеты, который начинается прямо под корка (примерно в 10 км (6,2 мили) под океаном и примерно в 35 км (22 мили) под континентами) и заканчивается на вершине нижняя мантия на 670 км (420 миль). Температуры колеблются от примерно 200 ° C (392 ° F) на верхней границе с корой до примерно 900 ° C (1650 ° F) на границе с нижней мантией. Подошедший на поверхность материал верхней мантии составляет около 55%. оливин, 35% пироксен и от 5 до 10% оксид кальция и оксид алюминия минералы, такие как плагиоклаз, шпинель, или же гранат в зависимости от глубины.

Сейсмическая структура

1 = континентальная кора, 2 = океаническая кора, 3 = верхняя мантия, 4 = нижняя мантия, 5 + 6 = ядро, A = граница кора-мантия (разрыв Мохоровича)

Профиль плотности через Землю определяется скоростью сейсмических волн. Плотность постепенно увеличивается в каждом слое в основном из-за сжатия породы на больших глубинах. При изменении состава материала происходят резкие изменения плотности.[1]

Верхняя мантия начинается сразу под корой и заканчивается наверху нижней мантии. Верхняя мантия заставляет тектонические плиты двигаться.

Корка и мантия различаются по составу, а литосфера и астеносфера определяются изменением механических свойств.[2]

Кровля мантии определяется внезапным увеличением скорости сейсмических волн, что впервые было отмечено Андрия Мохоровичич в 1909 г .; эта граница теперь называется Разрыв Мохоровича или «Мохо».[3]

Мохо определяет основание земной коры и колеблется от 10 км (6,2 мили) до 70 км (43 мили) под поверхностью Земли. Океаническая кора тоньше чем Континентальный разлом и обычно имеет толщину менее 10 км (6,2 мили). Толщина континентальной коры составляет около 35 км (22 мили), но большой корень коры под слоем Тибетское плато имеет толщину примерно 70 км (43 мили).[4]

Толщина верхней мантии составляет около 640 км (400 миль). Вся мантия имеет толщину около 2900 км (1800 миль), что означает, что верхняя мантия составляет лишь около 20% от общей толщины мантии.[4]

Поперечный разрез Земли, показывающий пути волн землетрясений. Пути изгибаются, потому что разные типы горных пород, найденные на разной глубине, изменяют скорость распространения волн. S-волны не проходят через ядро

Граница между верхней и нижней мантией представляет собой разрыв длиной 670 км (420 миль).[2] Землетрясения на небольшой глубине возникают в результате сдвиг; однако ниже 50 км (31 миль) жаркие условия с высоким давлением препятствуют дальнейшей сейсмичности. Мантия вязкая и неспособна к сбой. Однако в зоны субдукции, землетрясения наблюдаются до 670 км (420 миль).[1]

Разрыв Лемана

Разрыв Лемана - это резкое увеличение п-волна и S-волна скорости на глубине 220 км (140 миль)[5] (Обратите внимание, что это другой «разрыв Лемана», чем тот, который находится между внутренним и внешним ядрами Земли, отмеченный на изображении справа.)

Переходная зона

Переходная зона расположена между верхней мантией и нижняя мантия на глубине от 410 км (250 миль) до 670 км (420 миль)

Считается, что это происходит в результате перестройки зерен в оливине с образованием более плотной кристаллической структуры в результате увеличения давления с увеличением глубины.[6] Ниже глубины 670 км (420 миль) из-за изменений давления минералы рингвудита превращаются в две новые более плотные фазы, бриджманит и периклаз. Это можно увидеть, используя объемные волны из землетрясения, которые преобразуются, отражаются или преломляются на границе и предсказываются из физика минералов, поскольку фазовые изменения зависят от температуры и плотности и, следовательно, от глубины.[6]

410 км разрыв

Один пик наблюдается во всех сейсмологических данных на расстоянии 410 км (250 миль), что предсказывается одним переходом от α- к β- Mg.2SiO4 (оливин к вадслеит ). От Склон Клапейрон ожидается, что разрыв Мохо будет мельче в холодных регионах, таких как подчинение плиты и глубже в более теплых регионах, например мантийные перья.[6]

670 км разрыв

Это наиболее сложный разрыв, обозначающий границу между верхней и нижней мантией. Он появляется в предшественниках PP (волна, которая отражается от неоднородности один раз) только в определенных областях, но всегда проявляется в предшественниках SS.[6] Это видно как одиночные и двойные отражения в функциях приемника для преобразования P в S в широком диапазоне глубин (640–720 км, или 397–447 миль). Наклон Клапейрона предсказывает более глубокий разрыв в более холодных регионах и более мелкий разрыв в более горячих регионах.[6] Этот разрыв обычно связан с переходом от рингвудит к бриджманит и периклаз.[7] Это термодинамически эндотермическая реакция, вызывающая скачок вязкости. Обе характеристики заставляют этот фазовый переход играть важную роль в геодинамических моделях.[8]

Прочие нарушения непрерывности

Существует еще один крупный фазовый переход, предсказанный на расстоянии 520 км (320 миль) для перехода оливина (β в γ) и гранат в пиролит мантия.[9] Это только спорадически наблюдается в сейсмологических данных.[10]

Были предложены другие неглобальные фазовые переходы на разной глубине.[6][11]

Температура и давление

Температуры варьируются от примерно 200 ° C (392 ° F) на верхней границе с корой до примерно 4000 ° C (7230 ° F) на границе ядро-мантия.[12] Самая высокая температура верхней мантии - 900 ° C (1650 ° F).[13] Хотя высокая температура намного превышает точки плавления Из мантийных пород на поверхности мантия почти исключительно твердая.[14]

Огромный литостатическое давление действует на мантию предотвращает таяние, поскольку температура, при которой начинается плавление ( солидус ) увеличивается с давлением.[15] Давление увеличивается с увеличением глубины, поскольку материал под ним должен выдерживать вес всего материала над ним. Считается, что вся мантия в течение длительного времени деформируется, как жидкость, с постоянной пластической деформацией.

Максимальное давление верхней мантии 24,0 ГПа (237000 атм).[13] по сравнению с нижней частью мантии, которая составляет 136 ГПа (1,340,000 атм).[12][16]

Оценки вязкости верхней мантии составляют 1019 и 1024 Па · с, в зависимости от глубины,[17] температура, состав, стрессовое состояние и многие другие факторы. Верхняя мантия может течь очень медленно. Однако, когда к самой верхней части мантии прикладываются большие силы, она может стать слабее, и этот эффект считается важным для образования тектоническая плита границы.

Хотя существует тенденция к увеличению вязкости на большей глубине, эта зависимость далека от линейной и показывает слои с резко пониженной вязкостью, в частности, в верхней мантии и на границе с ядром.[17]

Движение

Из-за разницы температур между поверхностью Земли и внешним ядром и способности кристаллических пород при высоком давлении и температуре претерпевать медленную, ползучую, вязко-подобную деформацию в течение миллионов лет, существует конвективный материальная циркуляция в мантии.[18]

Горячий материал апвеллы, в то время как более холодный (и более тяжелый) материал опускается вниз. Движение материала вниз происходит при сходящиеся границы плит называется зоны субдукции. Предполагается, что в местах на поверхности, лежащих над шлейфами, высокая высота (из-за плавучести более горячего и менее плотного шлейфа внизу) и для демонстрации горячая точка вулканизм.

Минеральный состав

Сейсмических данных недостаточно для определения состава мантии. Наблюдения за горными породами на поверхности и другие свидетельства показывают, что верхняя мантия мафический минералы оливин и пироксен и имеет плотность около 3,33 г / см3 (0,120 фунта / куб. Дюйм)[1]

Подошедший на поверхность материал верхней мантии состоит примерно из 55% оливина, 35% пироксена и 5-10% оксид кальция и оксид алюминия.[1] Верхняя мантия преимущественно перидотит, состоящий в основном из различных пропорций минералов оливина, клинопироксен, ортопироксен, и глиноземистая фаза.[1] Глиноземистая фаза - плагиоклаз в самой верхней мантии, затем шпинель, а затем гранат ниже ~ 100 км.[1] Постепенно через верхнюю мантию пироксены становятся менее устойчивыми и превращаются в мажоритарный гранат.

Эксперименты с оливинами и пироксенами показывают, что эти минералы изменяют структуру по мере увеличения давления на большей глубине, и это объясняет, почему кривые плотности не являются идеально гладкими. Когда происходит преобразование в более плотную минеральную структуру, сейсмическая скорость резко возрастает и создает разрыв.[1]

В верхней части переходной зоны оливин претерпевает изохимические фазовые переходы в вадслеит и рингвудит. В отличие от номинально безводного оливина, эти полиморфы оливина под высоким давлением обладают большой способностью удерживать воду в своей кристаллической структуре. Это привело к предположению, что в переходной зоне может находиться большое количество воды.[19]

В недрах Земли оливин встречается в верхней мантии на глубинах менее 410 км, и предполагается, что рингвудит присутствует в пределах переходная зона примерно с 520 до 670 км глубиной. Сейсмический прерывания активности на глубине около 410 км, 520 км и на глубине 670 км были отнесены к фазовые изменения с участием оливина и его полиморфы.

В основании переходной зоны, рингвудит разлагается на бриджманит (ранее назывался перовскитом силиката магния), и ферропериклаз. Гранат также становится нестабильным у основания переходной зоны или чуть ниже него.

Кимберлиты взрываются из недр земли и иногда несут осколки горных пород. Что-нибудь из этого ксенолит осколки представляют собой алмазы, которые могут появиться только из-за более высоких давлений под коркой. Скалы, которые идут с этим, ультраосновной узелки и перидотит.[1]

Химический состав

По составу очень похож на корочку. Одно различие состоит в том, что горные породы и минералы мантии, как правило, содержат больше магния и меньше кремния и алюминия, чем кора. Первые четыре наиболее распространенных элемента в верхней мантии - это кислород, магний, кремний и железо.

Состав верхней мантии Земли (обедненная MORB )[20][21]
СложныйМассовый процент
SiO244.71
MgO38.73
FeO8.18
Al2О33.98
CaO3.17
Cr2О30.57
NiO0.24
MnO0.13
Na2О0.13
TiO20.13
п2О50.019
K2О0.006

Исследование

Буровое судно Chikyu

Исследование мантии обычно проводится на морском дне, а не на суше из-за относительной толщины океанической коры по сравнению со значительно более толстой континентальной корой.

Первая попытка исследования мантии, известная как Проект Мохол, был заброшен в 1966 году после неоднократных отказов и перерасхода средств. Самое глубокое проникновение составило примерно 180 м (590 футов). В 2005 году океаническая скважина опустилась на глубину 1416 метров (4646 футов) от морского дна от океанского бурового судна. JOIDES Резолюция.

5 марта 2007 года группа ученых на борту RRS Джеймс Кук совершил плавание в район дна Атлантического океана, где мантия обнажена без какого-либо покрытия коркой, на полпути между Острова Зеленого Мыса и Карибское море. Обнаруженный участок находится примерно в трех километрах под поверхностью океана и охватывает тысячи квадратных километров.[22][23][24]

Миссия Chikyu Hakken попыталась использовать японское судно Тикю для бурения до 7000 м (23000 футов) ниже морского дна. 27 апреля 2012 г. Тикю пробурили на глубину 7 740 метров (25 400 футов) ниже уровня моря, установив новый мировой рекорд глубоководного бурения. Этот рекорд с тех пор превзошел злополучный Глубоководный горизонт мобильная морская буровая установка, работающая на проспекте Тибр в месторождении Каньон Миссисипи в Мексиканском заливе США, когда она достигла мирового рекорда по общей длине вертикальной буровой колонны в 10 062 м (33 011 футов).[25] Предыдущий рекорд принадлежал американскому судну. Гломар Челленджер, который в 1978 году пробурил 7 049,5 метров (23 130 футов) ниже уровня моря в Марианская впадина.[26] 6 сентября 2012 г. Научное глубоководное буровое судно. Тикю установила новый мировой рекорд, проведя бурение и взяв образцы горных пород с глубины более 2111 метров ниже морского дна у полуострова Симокита в Японии в северо-западной части Тихого океана.

В 2005 году был предложен новый метод исследования самых верхних сотен километров Земли, состоящий из небольшого плотного тепловыделяющего зонда, который плавит свой путь сквозь кору и мантию, а его положение и продвижение отслеживаются с помощью генерируемых акустических сигналов. в скалах.[27] Зонд состоит из внешней сферы из вольфрам диаметром около метра с кобальт-60 интерьер, действующий как радиоактивный источник тепла. Чтобы добраться до океана, потребуется полгода. Мохо.[28]

Исследованиям также может способствовать компьютерное моделирование эволюции мантии. В 2009 г. суперкомпьютер Приложение предоставило новое понимание распределения месторождений полезных ископаемых, особенно изотопов железа, с момента образования мантии 4,5 миллиарда лет назад.[29]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час Langmuir, Charles H .; Брокер, Уолли (22.07.2012). Как построить пригодную для жизни планету: история Земли от Большого взрыва до человечества. С. 179–183. ISBN  9780691140063.
  2. ^ а б Ротери, Дэвид А .; Гилмор, Иэн; Сефтон, Марк А. (март 2018 г.). Введение в астробиологию. п. 56. ISBN  9781108430838.
  3. ^ Олден, Эндрю (2007). «Сегодняшняя мантия: экскурсия». About.com. Получено 2007-12-25.
  4. ^ а б "Истрия в Интернете - Выдающиеся истрийцы - Андрия Мохоровичич". 2007. Получено 2007-12-25.
  5. ^ Уильям Лоури (1997). Основы геофизики. Издательство Кембриджского университета. п. 158. ISBN  0-521-46728-4.
  6. ^ а б c d е ж Fowler, C.M.R .; Фаулер, Конни Мэй (2005). Твердая Земля: введение в глобальную геофизику. ISBN  978-0521893077.
  7. ^ Ито, Э; Такахаши, Э (1989). «Постшпинелевые превращения в системе Mg2SiO4-Fe2SiO4 и некоторые геофизические последствия». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 94 (B8): 10637–10646. Bibcode:1989JGR .... 9410637I. Дои:10.1029 / jb094ib08p10637.
  8. ^ Fukao, Y .; Обаяси, М. (2013). «Погруженные плиты застывают наверху, проникают насквозь и задерживаются ниже разрыва 660 км». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 118 (11): 5920–5938. Bibcode:2013JGRB..118.5920F. Дои:10.1002 / 2013jb010466.
  9. ^ Деусс, Арвен; Вудхаус, Джон (2001-10-12). «Сейсмические наблюдения за расщеплением неоднородности средней переходной зоны в мантии Земли». Наука. 294 (5541): 354–357. Bibcode:2001Sci ... 294..354D. Дои:10.1126 / science.1063524. ISSN  0036-8075. PMID  11598296. S2CID  28563140.
  10. ^ Егоркин, А. В. (01.01.1997). «Доказательства разрыва в 520 км». В Fuchs, Карл (ред.). Неоднородности верхней мантии по данным активной и пассивной сейсмологии. Серия НАТО ASI. Springer Нидерланды. С. 51–61. Дои:10.1007/978-94-015-8979-6_4. ISBN  9789048149667.
  11. ^ Хан, Амир; Дешам, Фредерик (28 апреля 2015 г.). Гетерогенная мантия Земли: геофизические, геодинамические и геохимические перспективы. Springer. ISBN  9783319156279.
  12. ^ а б Катарина., Лоддерс (1998). Спутник ученого-планетолога. Фегли, Брюс. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-1423759836. OCLC  65171709.
  13. ^ а б "В чем три различия между верхней и нижней мантией?". Наука. Получено 14 июн 2019.
  14. ^ Луи, Дж. (1996). «Земля изнутри». Университет Невады, Рино. Архивировано из оригинал на 2011-07-20. Получено 2007-12-24.
  15. ^ Turcotte, DL; Шуберт, G (2002). «4». Геодинамика (2-е изд.). Кембридж, Англия, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. стр.136 –7. ISBN  978-0-521-66624-4.
  16. ^ Бернс, Роджер Джордж (1993). Минералогические приложения теории кристаллического поля. Издательство Кембриджского университета. п. 354. ISBN  978-0-521-43077-7. Получено 2007-12-26.
  17. ^ а б Вальцер, Уве. «Вязкость мантии и толщина конвективных нисходящих потоков». Архивировано из оригинал на 2007-06-11.
  18. ^ Олден, Эндрю (2007). «Сегодняшняя мантия: экскурсия». About.com. Получено 2007-12-25.
  19. ^ Берковичи, Дэвид; Карато, Сюн-ичиро (сентябрь 2003 г.). «Мантийная конвекция и переходной фильтр воды». Природа. 425 (6953): 39–44. Bibcode:2003Натура 425 ... 39Б. Дои:10.1038 / природа01918. ISSN  0028-0836. PMID  12955133. S2CID  4428456.
  20. ^ Уоркман, Рея К .; Харт, Стэнли Р. (февраль 2005 г.). «Основные и микроэлементные составы обедненной мантии MORB (DMM)». Письма по науке о Земле и планетах. 231 (1–2): 53–72. Bibcode:2005E и PSL.231 ... 53 Вт. Дои:10.1016 / j.epsl.2004.12.005. ISSN  0012-821X.
  21. ^ Андерсон, Д. (2007). Новая теория Земли. Издательство Кембриджского университета. п.301. ISBN  9780521849593.
  22. ^ Тан, Кер (2007-03-01). «Ученые изучат пропасть на дне Атлантического океана». Новости NBC. Получено 2008-03-16. На следующей неделе группа ученых отправится в путешествие, чтобы изучить «открытую рану» на дне Атлантического океана, где глубокие недра Земли обнажены без какого-либо покрытия коркой.
  23. ^ "В Средней Атлантике отсутствует земная кора". Science Daily. 2007-03-02. Получено 2008-03-16. Вскоре (5 марта) ученые Кардиффского университета отправятся в плавание, чтобы исследовать поразительное открытие в глубинах Атлантики.
  24. ^ «Япония надеется предсказать« Большого »с путешествием к центру Земли». PhysOrg.com. 2005-12-15. Архивировано из оригинал на 2005-12-19. Получено 2008-03-16. В четверг официальные лица заявили, что амбициозный проект под руководством Японии по углублению поверхности Земли, чем когда-либо прежде, станет прорывом в обнаружении землетрясений, в том числе страшного «большого» Токио.
  25. ^ «- - Исследуйте рекорды - Книгу рекордов Гиннеса». Архивировано из оригинал на 2011-10-17.
  26. ^ «Японский глубоководный буровой зонд установил мировой рекорд». Канзас-Сити Стар. Ассошиэйтед Пресс. 28 апреля 2012 г. Архивировано с оригинал 28 апреля 2012 г.. Получено 28 апреля 2012.
  27. ^ Ойован М.И., Гибб Ф.Г.Ф., Полуэктов П.П., Емец Э.П. 2005 г. Зондирование внутренних слоев Земли самопадающими капсулами.. Атомная энергия, 99, 556–562.
  28. ^ Охован М.И., Гибб Ф.Г.Ф. «Изучение земной коры и мантии с использованием самонесущего, радиационного нагрева, зондов и мониторинга акустической эмиссии». Глава 7. В: Исследования ядерных отходов: размещение, технология и обработка, ISBN  978-1-60456-184-5, Редактор: Арнольд П. Латтефер, Nova Science Publishers, Inc. 2008
  29. ^ Калифорнийский университет - Дэвис (15.06.2009). Суперкомпьютер дает первое представление о недрах ранней магмы Земли. ScienceDaily. Проверено 16 июня 2009.