2. Мантия Земли
Геосфера в границах: граница Мохоровичича (средняя глубина 35 – 40км) – граница Вихерта — Гутенберга (2900 км). В мантии сосредоточена масса, равная 68% общей массы планеты. По сейсмическим свойствам выделяют верхнюю и нижнюю мантии.
2.1. Верхняя мантия
Строение верхней мантии:
а) Надастеносферный слой (вместе с земной корой выделяется под названием литосфера).
б) Астеносфера (слой пониженных скоростей сейсмических волн, рис. 1). Под континентами астеносфера располагается на глубинах 100 – 200 км, при этом прослеживается не везде, иногда представляет собой ряд слоёв. Под океанами астеносфера повсеместна и размещается на глубинах 20 – 60 км. Литосферу и астеносферу принято объединять под названием тектоносфера.
в) Подастеносферный слой (выделяется до глубины 420 км).
г) Слой Голицина (размещается на глубинах 420 – 670 км). На границах слоя имеют место всплески скоростей сейсмических волн (рис. 1), существенный рост значений плотности (рис. 8).
[А Дзивонски др. 1975]
Состав Верхней мантии
а) Надастеносферный слой.
Слой сложен перидотитами (оливин, пироксены), которые рассматриваются как тугоплавкие остатки после выплавления базальтов из первичной недифференцированной мантии.
б) Астеносфера и подастеносферный слой.
Они сложены гипотетической породой, названной Рингвудом пиролитом. Пиролит – химическая смесь перидотита и базальта в пропорции 3:1. Такой состав установлен в каменных метеоритах – хондритах и, как полагают, соответствует составу первичной мантии. В минеральном отношении пиролит представлен оливином – 57% вес., пироксенами – 29% вес., гранатом-пиропом – 14% вес. и нефелином ~ 1% вес.
В участках наименьших значений скоростей сейсмических волн (астеносфера) вязкость крайне низка и составляет 1019 пуаз (сравните 1023 – 1024 пуаз на глубинах около 700 км), температура наиболее близка к температуре плавления. Состояние системы при этом может быть квазиустойчивым, когда сохраняется твердый силикатный скелет, жидкость сосредоточена в межзерновых пространствах в количестве менее 1%. При содержании жидкости более 5% расплав обособляется в магматические тела.
в) Слой Голицина.
Всплески повышения скоростей сейсмических волн на границах слоя связывают с фазовыми минеральными переходами, сопровождающимися перестройками кристаллических решёток в более плотные модификации, что подтверждено экспериментальными исследованиями (рис. 9)
Фазовые минеральные переходы в слое Голицина
| Глубина | 0 км | 420 км | 500–550 км | 650–670 км |
| Группа Оливина | Оливин Mg2 SiO4 (ромбическая сингония) | b Mg 2 SiO 4 (структура близка шпинели, рост плотности на 7,9%) | ? Mg 2SiO 4 (структура шпинели, кубическая гранецентрированная решётка, рост плотности на 2%) | MgSiO3 (структура перовскита)+ MgО (структура каменной соли) |
| Пироксены и гранаты | Пироксены, гранаты | — | — | (Mg, Fe, Ca)SiO3 (структура перовскита) |
| Нефелин | Нефелин NaAlSiO4 (гексагональная сингония) | — | — | NaAlSiO4 (кубическая сингония, структура феррита кальция) |
| Плотность | ?=3,4 г/см3 | — | — | ?=4,2 г/см3 |
Общее возрастание плотности на 22%
Физическое состояние вещества в слое Голицина определяет крайне важные для тектонических процессов последствия. По мере накопления в слое тепла происходит разуплотнение кристаллических решёток, границы слоя опускаются, что сопровождается увеличением объёма, радиуса Земли, растягивающими напряжениями и планетарными раздвигами. Потери тепла ведут к уменьшению радиуса и сжимающим напряжениям.
2.2. Нижняя мантия
Нижнюю мантию выделяют в интервале глубин 670 – 2900 км. По сейсмическим свойствам в нижней мантии до глубины около 2700 км выделяется область относительно равномерного нарастания скоростей распространения сейсмических волн (по сравнению со слоем Голицина), однако и здесь отмечаются небольшие скачки скоростей, указывающие на то, что наряду с фактором сжимаемости в гравитационном поле относительно однородного материала, влияющим на сейсмические свойства, имеют место и второстепенные фазовые переходы.
Рингвуд предполагает, что нижняя мантия состоит не из физической смеси окисных фаз (MgO+FeO+SiO2), образовавшихся путём диспропорционирования минералов переходной зоны под давлением, а из бинарных соединений типа MgSiO3, но имеющих более плотные кристаллические структуры, чем смеси окислов, отвечающих их составу. Это положение аргументируется тем, что фактическая плотность мантии выше ожидаемой для смеси окислов [6].
Экспериментальные данные показывают, что на глубине около 1000 км пиролит возможно представлен ассоциацией следующих фаз: перовскитовыми модификациями MgSiO3 и CaSiO3, (Mg,Fe)О со структурой каменной соли и NaAlSiO4 со структурой феррита кальция (рис. 9).
Сейсмические свойства нижней мантии в интервале 2700 – 2900 км аномальны, имеются данные об уменьшении скоростей и локальных неоднородностях, которые вызывают рассеивание сейсмических волн.
Наряду с указанными выше соединениями здесь имеется возможность диспропорционирования FeO (в фазе со структурой каменной соли, или в фазе типа перовскита) в магнетит и металлическое железо что подтверждено экспериментальными исследованиями
Температура плавления железа в условиях глубинной мантии в присутствии окиси железа значительно понижается, при этом на глубинах более 1500 км при сохранении силикатного каркаса выплавляется жидкая фаза ?Fe с растворённой в ней FeO. Сегрегация и погружение выплавленного железа сопровождается конвекционным всплытием лёгкого силикатного остатка.
