Какими свойствами обладает мантия

Мантия Земли находится между земной корой и ядром планеты. На глубине от 10-70 км до 2900 км. И большая часть вещества планеты приходится именно на Мантию. Но изучить этот слой, к сожалению, достаточно хорошо пока что не представляется возможным. Все исследования ведутся косвенными методами, с помощью геофизики и геохимии.

Строение мантии Земли

Существует граница, отделяющая земную поверхностную кору от мантии. Называют её границей Мохоровичича, хотя иногда сокращают до простого Мохо. Располагается она на различных глубинах, зависящих от участка земной поверхности. Так, под океанами граница Мохо находится выше всего (7-10 км), а под складчатыми поясами залегает гораздо глубже (до 70 км). Характерной особенностью границы Мохоровичича является то, что на ней наблюдается резкое увеличение сейсмических скоростей (от 7 до 8 км/с). Принято считать, что происходит это из-за изменения состава пород.

Мантия нашей планеты разделена на 2 части: верхнюю мантию и нижнюю. Друг от друга они также отделены границей, так называемым слоем Голицына. Располагает он примерно на глубине 670 км. Таким образом, становится понятно, что верхняя мантия значительно тоньше нижней.

Состав мантии Земли

Состоит мантия нашей планеты, предположительно, из так называемых ультраосновных пород, которые представлены перидотитами и перовскитами, но также в состав её входят и другие породы (эклогиты, например). Но гораздо понятнее будет, если разложить эти породы на составляющие элементы. Так вот, основным химическим элементом мантии является кислород (45%), находящийся в различных соединениях с другими элементами. По большей части, с кремнием и магнием (~22% каждого). Вместе с кислородом они образуют кремнезем и оксид магния, соответственно. На два этих оксида приходится порядка 84% всего вещества мантии.
Также в этом земном слое в небольших количествах находятся железо, алюминий, кальций, натрий, калий и другие элементы. Почти все из них вступают в реакцию с кислородом, образуя оксиды.

Процессы мантии

Процессы, происходящие на такой глубине, изучены довольно плохо. Например, существует теория, что земное ядро оказывает серьёзное влияние на мантию и процессы, происходящие в ней, но пока что серьёзных подтверждений этому не найдено. Ну а сама мантия оказывает существенное влияние на земную кору. Выражено это различными природными явлениями: вулканизмом, землетрясениями, движением тектонических плит, что является причиной образования гор и впадин.
Также в мантии образуются различные минералы и формируются месторождения полезных ископаемых.

Процессы, происходящие в глубинах планеты, оказывают огромное влияние на жизнь людей. Приносят они как пользу, так и вред. Но эти процессы изучены весьма плохо, потому сложно предположить, что же ожидает нас в дальнейшем. Никто не знает, как деятельность людей повлияет на планету.
Когда учащаются землетрясения, учёные не могут внятно объяснить, что послужило тому причиной, и строят десятки теорий по этому поводу. Но в этом нет их вины, поскольку никто не сможет дать нормальных объяснений, не имея данных необходимых исследований. В таком случае, не совсем понятно, почему тратятся колоссальные средства на изучение космоса, когда от участившихся землетрясений погибают сотни тысяч людей.

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, простирающаяся толщиной от 35 до 2900 километров под поверхностью нашей планеты до сих пор в значительной степени считается плохо изученной. Столетие исследований помогло нам заполнить только некоторые пробелы.

Мантия Земли имеет три основных слоя:

• верхняя часть простирается от основания земной коры до глубины 660 километров;
• переходная зона расположена между 400 и 660 километрами, на глубинах которых происходят основные физические изменения минералов;
• нижняя зона простирается от 660 километров до примерно 2900 километров.

 Земля имеет тот же состав элементов, что и другие планеты (кроме водорода и гелия, которые избежали земного притяжения). Предполагая, что ядро состоит из железа, мы можем вычислить, что мантия Земли представляет собой смесь магния, кремния, железа и кислорода, которая примерно соответствует составу гранита. Верхняя зона мантии уходит в толщину Земли всего на 400 км., но вся достигает глубины 2900 км. Дальше идет ядро Земли. Однако то, что находится на таких глубинах, остается для нас тайной.

О составе мантии на этих глубинах существуют лишь косвенные данные.

Определение состава мантии косвенным путем

Но какая именно смесь минералов присутствует на данной глубине-это сложный вопрос, который не является твердо решенным. С помощью прямых наблюдений ученых-космохимиков, геологов можно с большой вероятностью определить толщину и состав мантии Земли.

Прямые наблюдения

Наши знания земной коры и процессов, которые в ней происходят, основаны на прямых наблюдениях. Ежедневно мы можем следить за деятельностью ветра и воды, а если удается, то и наблюдать выбросы газа и вулканическую деятельность, представляющую собой следствие какого-то процесса. Это то же самое, как если бы мы смотрели на конец конвейера, на котором завертывается шоколад, не зная, как, собственно, он получается.

Не понятно, каково минералогическое и химическое строение мантии. Ясно, что это должен быть материал, который при нагревании и давлении, имеющем место на глубине от 50 до 400 км, образует горные породы базальтового типа. В противном случае на Земле не было бы таких вулканических островов, как Гавайи, Таити или Исландия. Один из путей определения химического состава верхней мантии – это анализ подобных базальтовых пород.
У нас есть образцы как куски породы, перенесенные при некоторых вулканических извержениях, с глубин, как 300 километров глубины. Они показывают, что верхняя часть мантии состоит из пород типа перидотит и эклогит.

Минералы и горные породы изменяются под высоким давлением. Например, общий минерал мантии оливин изменяется на различные кристаллические формы на глубинах около 410 километров и снова на 660 километров.

Наблюдения космохимиков

Еще один аргумент в дискуссию о составе мантии вносят космохимики. Аргумент этот интересен.

Он исходит из того, что Земля в целом не очень отличается от первоначальной материи Солнечной системы – от метеоритов-хондритов. Поэтому состав мантии можно высчитать.

Геологическое доказательство

И третьим вкладом в дискуссию о том, из чего состоит мантия Земли, является геологическое доказательство.

Алмазы, которые совершенно определенно возникают при огромных давлениях в мантии, происходят из горной породы, называемой кимберлит, который встречается в Южной Африке, в Сибири и в Бразилии.

Но кроме алмазов, кимберлиты содержат обломки других горных пород, которые они приняли в себя по пути к земной поверхности. Поэтому там мы можем найти небольшие куски пород, происходящих из верхней мантии. Это породы с высоким содержанием железа, магния и небольшим количеством кремния – ультраосновные породы, как, например, дуниты, верлиты, лерзолиты и породы группы гранитов – перидотиты и эклогиты. Все минералы этих горных пород верхней мантии кристаллизовались при высоком давлении и температуре.

Исследование с помощью сейсмических волн

Исследования мантии Земли с помощью сейсмических волн от мировых землетрясений считаются достаточно объективными. Два различных типа сейсмических волн, P-волны (похожи звуковым волнам) и S-волны (подобно волнам в раскачиваемой веревке), реагируют на физические свойства горных пород, через которые они проходят. Эти волны отражаются от некоторых типов поверхностей и преломляются (изгибаются) при столкновении с другими типами поверхностей. Мы используем эти эффекты, чтобы отобразить внутренности Земли.
Наши инструменты достаточно хороши, чтобы лечить мантию Земли так, как врачи делают ультразвуковые снимки своих пациентов. После столетия сбора информации от землетрясений, мы можем сделать некоторые впечатляющие карты внутреннего строения нашей планеты.

При огромных температурах и давлениях в лаборатории создаются условия, похожие на условия, царящие внутри Земли. Естественно, используются исключительно малые – миллиграммовые – образцы пород. Результаты опытов сравниваются потом с результатами распространения сейсмических волн.
Было установлено, что глубины, на которых происходит увеличение скорости сейсмических волн, хорошо сравниваются с глубинами, на которых, в соответствии с лабораторными данными, могло бы происходить изменение внутренней структуры минералов.

Изучение мантии компьютерными моделями и лабораторными экспериментами

Мы изучаем поведение минералов в мантийных условиях двумя методами: компьютерными моделями, основанными на уравнениях физики минералов и лабораторными экспериментами.

Таким образом, современные исследования мантии проводятся сейсмологами, компьютерными программистами и лабораторными исследователями, которые теперь могут воспроизводить условия в любом месте с помощью лабораторного оборудования высокого давления, такого как алмазная наковальня.

Свойства материала мантии такие же как и у любого вещества: по мере увеличения глубины возрастает температура и давление, и материя на этих глубинах приспосабливается к существующим условиям. Внутреннее строение составных частиц минералов отвечает высокому давлению, то есть структура сжимается, становится гуще. Поэтому удельная плотность минералов повышается. Об этом свидетельствуют и лабораторные данные.

Изучение помогает геологии

Поскольку мантия-это основная часть строения Земли, ее история имеет фундаментальное значение для геологии. Во время рождения Земли мантия начиналась как океан жидкой магмы на поверхности железного ядра. По мере его затвердевания элементы, которые не вписывались в основные минералы, собирались в виде накипи сверху-коры. После этого мантия начала медленное обращение, которое она имела в течение последних четырех миллиардов лет. Верхняя часть остыла, потому что она перемешивается и гидратируется тектоническими движениями поверхностных плит.

В то же время мы многое узнали о строении и составе планет-сестер Земли Меркурия, Венеры и Марса. По сравнению с ними, Земля имеет активную, смазанную мантию, которая особенная благодаря воде, тому же ингредиенту, который отличает ее поверхность.