Состав верхней мантии - Планета Земля
Проблема состава, структуры и минеральных ассоциаций глубинных земных оболочек или геосфер, конечно, еще далека от окончательного решения, однако новые экспериментальные результаты и идеи существенно расширяют и детализируют соответствующие представления.
Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов.
В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4 : 2 : 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al2SiO5 (до 10 вес. %).
Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии, простирающейся до глубин ~670 км.
В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO2) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)2SiO4, чем к пироксену (Mg, Fe)SiO3, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO3 с различными структурными искажениями, магнезиовюстит (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.
Все предложенные модели весьма обобщенные и гипотетичные. Пиролитовая модель верхней мантии с преобладанием оливина предполагает ее значительно большую близость по химическому составу со всей более глубокой мантией.
Наоборот, пиклогитовая модель предполагает существование определенного химического контраста между верхней и остальной мантиями. Более частная эклогитовая модель допускает присутствие в верхней мантии отдельных эклогитовых линз и блоков.
Большой интерес представляет попытка согласовать структурно-минералогические и геофизические данные, относящиеся к верхней мантии. Уже около 20 лет допускается, что увеличение скоростей сейсмических волн на глубине ~410 км преимущественно связано со структурной перестройкой оливина a-(Mg, Fe)2SiO4 в вадслеит b-(Mg, Fe)2SiO4, сопровождающейся образованием более плотной фазы с большими значениями коэффициентов упругости.
Согласно геофизическим данным, на таких глубинах в недрах Земли скорости сейсмических волн возрастают на 3-5%, тогда как структурная перестройка оливина в вадслеит (в соответствии со значениями их модулей упругости) должна сопровождаться увеличением скоростей сейсмических волн примерно на 13%.
Вместе с тем результаты экспериментальных исследований оливина и смеси оливин-пироксен при высоких температурах и давлениях выявили полное совпадение рассчитанного и экспериментального увеличения скоростей сейсмических волн в интервале глубин 200-400 км.
Поскольку оливин обладает примерно такой же упругостью, как и высокоплотные моноклинные пироксены, эти данные должны были бы указывать на отсутствие в составе нижележащей зоны граната, обладающего высокой упругостью, присутствие которого в мантии неизбежно вызвало бы более значительное увеличение скоростей сейсмических волн. Однако эти представления о безгранатовой мантии вступали в противоречие с петрологическими моделями ее состава.
Таблица 1. Минеральный состав пиролита (по Л. Лиу, 1979)
Мантия земля сейсмический геодинамический
Так появилась идея о том, что скачок в скоростях сейсмических волн на глубине 410 км связан в основном со структурной перестройкой пироксен-гранат внутри обогащенных Na частей верхней мантии.
Такая модель предполагает почти полное отсутствие конвекции в верхней мантии, что противоречит современным геодинамическим представлениям.
Преодоление этих противоречий можно связать с недавно предложенной более полной моделью верхней мантии [2], допускающей вхождение атомов железа и водорода в структуру вадслеита.
Рис. 2. Изменение объемных про - порций минералов пиролита при возрастании давлений (глуби - ны), по М. Акаоги (1997).
Условные обозначения минералов: Ol - оливин, Gar - гранат, Cpx - моноклинные пироксены, Opx - ромбические пироксены, MS - "модифицированная шпинель", или вадслеит (b-(Mg, Fe)2SiO4), Sp - шпинель, Mj - меджорит Mg3(Fe, Al, Si)2(SiO4)3, Mw - магнезиовюстит (Mg, Fe)O, Mg-Pv - Mg-перовскит, Cа-Pv-Cа - перовс - кит, X - предполагаемые Al-содержащие фазы со структурами типа ильменита, Cаферрита и/или голландита.
В то время как полиморфный переход оливина в вадслеит не сопровождается изменением химического состава, в присутствии граната возникает реакция, приводящая к образованию вадслеита, обогащенного Fe по сравнению с исходным оливином.
Более того, вадслеит может содержать значительно больше по сравнению с оливином атомов водорода. Участие атомов Fe и Н в структуре вадслеита приводит к уменьшению ее жесткости и соответственно уменьшению скоростей распространения сейсмических волн, проходящих сквозь этот минерал.
Кроме того, образование обогащенного Fe вадслеита предполагает вовлечение в соответствующую реакцию большего количества оливина, что должно сопровождаться изменением химического состава пород вблизи раздела 410. Идеи об этих трансформациях подтверждаются современными глобально сейсмическими данными. В целом минералогический состав этой части верхней мантии представляется более или менее ясным.
Если говорить о пиролитовой минеральной ассоциации (табл. 1), то ее преобразование вплоть до глубин ~800 км исследовано достаточно детально и в обобщенном виде представлено на рис. 2. При этом глобальной сейсмической границе на глубине 520 км соответствует перестройка вадслеита b-(Mg, Fe)2SiO4 в рингвудит - g-модификацию (Mg, Fe)2SiO4 со структурой шпинели.
Трансформация пироксен (Mg, Fe)SiO3 гранат Mg3(Fe, Al, Si)2Si3O12 осуществляется в верхней мантии в более широком интервале глубин. Таким образом, вся относительно гомогенная оболочка в интервале 400-600 км верхней мантии в основном содержит фазы со структурными типами граната и шпинели.
Все предложенные в настоящее время модели состава мантийных пород допускают содержание в них Al2O3 в количестве ~4 вес. %, которое также влияет на специфику структурных превращений.
При этом отмечается, что в отдельных областях неоднородной по составу верхней мантии Al может быть сосредоточен в таких минералах, как корунд Al2O3 или кианит Al2SiO5, который при давлениях и температурах, cответствующих глубинам ~450 км, трансформируется в корунд и стишовит - модификацию SiO2, структура которой содержит каркас из SiO6 октаэдров. Оба этих минерала сохраняются не только в низах верхней мантии, но и глубже.
Важнейший компонент химического состава зоны 400-670 км - вода, содержание которой, по некоторым оценкам, составляет ~0,1 вес. % и присутствие которой в первую очередь связывают с Mg-силикатами [3]. Количество запасенной в этой оболочке воды столь значительно, что на поверхности Земли оно составило бы слой мощностью 800 м.
Похожие статьи
-
Состав мантии ниже границы 670 км - Планета Земля
Проведенные в последние два-три десятилетия исследования структурных переходов минералов с использованием рентгеновских камер высокого давления позволили...
-
Новая модель строения мантии - Планета Земля
К 80-м годам XX века сейсмологические исследования методами продольных и поперечных сейсмических волн, способных проникать через весь объем Земли, а...
-
Другие планеты земной группы, возможно, имеют подобные структуры и составы с некоторыми отличиями: у Луны маленькое ядро; у Меркурия очень большое ядро...
-
Модель строения Земли - Планета Земля
Широко известная модель внутреннего строения Земли (деление ее на ядро, мантию и земную кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом еще...
-
Современные данные о сейсмических границах - Планета Земля
Тем больше проводится сейсмологических исследований, тем больше появляется сейсмических границ. Глобальными принято считать границы 410, 520, 670, 2900...
-
Оценка вязкости астеносферы, мантии и ядра - Движение вещества Земли
Характер тектонических процессов, протекающих на разных уровнях в твердой Земле, в значительной степени зависит от физических свойств отдельных ее...
-
Внутреннее строение Земли - Развитие представлений о внутреннем строении земли и методы ее изучения
Рисунок 1. Разрез Земли Толщина Земной коры (внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков...
-
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В МАНТИИ - Электропроводность Земли
На Балтийском щите помимо проводящего корового слоя выделяются еще два интервала глубин, где сопротивление уменьшается в 10 раз и более. Второе понижение...
-
При исследовании внутреннего строения нашей планеты чаще всего проводят визуальные наблюдения естественных и искусственных обнажений горных пород,...
-
Форма рудных тел, Минеральный состав - Колчеданные месторождения
Форма рудных тел колчеданных месторождений и особенности их внутреннего строения соответствует степени метаморфизма вмещающих пород. В породах слабо...
-
Введение - Движение вещества Земли
Земля состоит из оболочек, для каждой из которых характерны свои формы движения вещества, своя скорость вращения. Вещество жидкого ядра Земли вращается...
-
Понятие и состав географической оболочки Биосфера ноосфера техногенез Наиболее общим объектом изучения географической науки является географическая...
-
Существующий узел ГТС построен в 1973 году и состоит из грунтовой плотины из супеси и водосбросного сооружения - башенного водосброса. В настоящее время...
-
Десять интересных фактов о планете Земля
Десять интересных фактов о планете Земля 1. Твердь земной коры относительна. Поверхность планеты на самом деле состоит из литосферных плит, находящихся в...
-
Изучение остракод невозможно без правильной идентификации переднего и заднего концов раковины. Эта процедура вызывает особые затруднения при исследовании...
-
Изучение фазового состава вмещающих пород сырья и ванадиевой минерализации углерод-кремнеземистой формации Северо-Западного Каратау Нижнекембрийские...
-
МИНЕРАЛОГИЯ (от минерал и греч. льгпт - логос, слово, учение / англ. Mineralogy; нем. Mineralogie; фр. Minйralogie; ит. Mineralogнe) - наука о минералах....
-
Взаимодействие гравитационного и сейсмического полей Земли
Взаимодействие гравитационного и сейсмического полей Земли Под комплексной интерпретацией геофизических полей понимают такую процедуру совместного...
-
Понятия и основные показатели состава и структуры населения Статистика состава человеческого общества является важнейшим разделом статистики населения,...
-
Формула Курлова представляет собой псевдо дробь, в числителе которой в порядке убывания в %-эквивалентной форме располагаются анионы, а в знаменателе -...
-
АЛМАЗ, Химический состав - Алмаз
АЛМАЗ, минерал, кристаллическая кубическая полиморфная модификация самородного углерода, по блеску, красоте и твердости превосходящий все минералы....
-
Определение, суть, типы Миграция - это механическое движение населения, один из важнейших компонентов воспроизводства и динамики населения,...
-
Палеомагнитный метод в стратиграфии и палеогеографии - Геология хронологии Земли
В основу этого метода положена история магнитного поля Земли, которую научились читать с начала 20 века. Возможность изучения истории магнитного поля по...
-
ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ, Состав и структура - Предупреждение образования гидратов природных газов
Состав и структура Гидраты природных газов представляют собой физико-химическое соединение воды с углеводородами. По внешнему виду это белая...
-
Абсолютная геохронология - Геология хронологии Земли
Как видно из изложенного выше, шкалой относительного геологического времени можно пользоваться без затруднений. Но при всех ее достоинствах знать...
-
Относительная геохронология - Геология хронологии Земли
Изучение и детальное описание слоев в их последовательности с соответствующим описанием содержащихся в них ископаемых остатков животных и растений и...
-
Численность и состав населения - Социально-экономическая характеристика Германии
Федеративная Республика Германия по площади лишь немногим больше соседней Польши, но по численности населения в два раза превосходит ее. На 1 января 2013...
-
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ТЕРРИТОРИИ - Архипелаг Новая Земля
В геолого-структурном отношении острова Новая Земля входят в состав Пайхойско-Новоземельской складчатой системы, являющейся продолжением Урало-Пайхойской...
-
Круговорот вещества Земли - Движение вещества Земли
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ на Земле - повторяющиеся процессы превращения и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее циклический характер. Общий...
-
Одной из второстепенных, но достаточно любопытной является структура населения по национальному признаку. Фактически ее анализ мало чем необходимым...
-
Природные катаклизмы древности По одной из гипотез природные катаклизмы могли служить причиной физико-географических изменений гипотетического...
-
Введение - Статистический анализ состава населения России по различным признакам
Анализ состава населения - важнейшая задача статистика. С помощью данного анализа исчисляются различные статистические особенности, изучаются тенденции в...
-
Какие пояса выделяют на территории Земли по различиям в условиях жизни растений
Физическая карта мира - отображает поверхность Земли. Пространство земной поверхности вмещает все природные ресурсы и богатства человечества. Различия в...
-
ТОО "Востокцветмет" является филиалом Корпорации "Казминералс". Он находится в 12 км от районного центра г. Шемонаиха и в 100км от областного центра г....
-
Введение - Геология хронологии Земли
Когда, каким образом и в каких масштабах происходили в прошлом те или иные события, нередко охватывающие всю планету, перемещения материков, рождение...
-
Человек привыкает к тому, что земля у него под ногами незыблема. Но впечатление это обманчиво. Одно мгновение - и разрушается то, что создавалось многими...
-
Состав и свойства пластовой воды - Геологическая характеристика Гагаринского месторождения
Пластовые воды продуктивных отложений верхнедевонско-турнейского ГНВК являются потенциально перспективными для формирования промышленно ценных попутных...
-
По размерам территории Соединенные Штаты Америки занимают среди стран мира четвертое место (9,4 млн. км2). В состав США входят три части. Первая -...
-
Строение атмосферы - Строение атмосферы, ее химический состав и физические свойства
Масса атмосферы составляет 5.3-1015 т. В слое до 5,5 км содержится 50%, до 25 км - 95% и до 30 км - 99% всей массы атмосферы. Тридцатикилометровый слой...
-
Состав земной коры - Строение земной коры
Земная кора состоит из нескольких слоев, толщина и строение которых различны в пределах океанов и материков. В связи с этим выделяют океанический,...
Состав верхней мантии - Планета Земля