Мантия Земли

Земля — это планета земной группы, на которой есть жизнь. Строение и состав планеты изучает множество наук: астрономия, геология, метеорология, география и биология. Под земной корой кроется мантия — интересная и загадочная оболочка, непосредственно исследовать которую невозможно. На земной поверхности мантия не появляется, глубинным бурением к ней добраться не получится. Что же такое мантия? Из чего она состоит и каким образом её изучают?

 

Что такое мантия Земли

 

Мантия Земли — одна из внутренних оболочек планеты, которая расположена между земной корой и ядром. Она имеет более половины массы Земли и занимает более 80% объёма земного шара. Поверхность Мохоровичича является границей между земной корой и мантией. На этой поверхности быстрота сейсмических волн внезапно увеличивается и достигает 8 км/с. Глубина границы Мохоровичича равняется от 7-8 до 70 километров.

 

Виды мантии Земли

 

Мантия Земли разделяется на верхнюю и нижнюю мантию. Между ними есть так называемая переходная зона — слой Голицына. Этот слой располагается на глубине около 670 км. Именно на этой глубине происходит резкий скачок скорости волн, а также меняется характер их происхождения. Слой Голицына находится между нижней и наружной мантией.

Строение и слои мантии Земли

 

О строении мантии наверняка не могут знать даже учёные. Однозначного и конкретного ответа на этот вопрос пока нет. Но так как проводились некоторые исследования, то предположения о строении мантии есть. Мантия состоит из наружного слоя, переходной зоны и нижнего слоя. Каждая из поверхностей мантии имеет свои геофизические и геохимические данные, которые изучались учёными на протяжении десятков, а то и сотен лет.

 

Состав мантии Земли

 

Состав мантии установить крайне сложно, как и её строение. Её изучают с помощью тех обломков, которые иногда появляются на поверхности земли. Данный участок внутренней поверхности Земли имеет зеленовато-чёрный цвет. Горные породы в составе являются основными и состоят из железа, магния, кислорода, кальция, кремния. Видимый вид обломков мантии напоминает метеориты из камня, которые иногда падают на Землю.

 

Вещества, находящиеся в мантии, вязкие и жидкие. Вязкость мантийной породы колеблется от 1021 до 1024 Па•с и зависит от глубины. Температура в этой породе очень высокая и иногда достигает не одной тысячи градусов. Мантия находится в постоянном движении, поэтому происходит круговорот породы: некоторые массы охлаждаются и затвердевают, а другие расплавляются под воздействием высоких температур. Этот процесс никогда не останавливается.

 

Верхняя часть мантии Земли

 

Наружный слой мантии достигает глубины от 30-40 км до 400 км. Под океанами и материками планеты располагается основная часть верхнего слоя мантии — подкорковая мантия. Она достигает глубины 80 км под океанами и 200-300 км под континентами. Продольные и поперечные сейсмические волны в этом слое плавно набирают скорость, так как происходит давление располагающихся выше толщ породы.

 

Под подкорковой мантией располагается слой, в котором скорость сейсмических волн постепенно снижается и достигает своего минимума, а на некоторых участках волны совсем не проходят. Учёные считают, что на таких сегментах мантия Земли находится в жидком состоянии. Этот слой в верхней части мантии называется астеносферой. Астеносфера характеризуется снижением скорости и пониженной прочностью.

 

Внутренняя мантия Земли

 

Внутренняя (нижняя) мантия начинается после переходного слоя на глубине 670 км. В этой части мантии скорость волн более или менее постоянная, без резких скачков и изменений. Нижняя мантия располагается на глубине от 670 км и до 2700 км. После этой части начинается граница Гуттенберга, которая отделяет мантию от ядра Земли и имеет толщину около 200 км. Учёные считают, что породы в нижней части мантии различны по своему химическому составу и кристаллографии.

 

Температура мантии Земли

 

Измерить точную температуру мантии невозможно, поэтому учёные в лабораторных условиях создали похожую среду с помощью аналога самого распространённого материала мантии. Затем его подвергли высокому давлению и температуре. Этот эксперимент постоянно корректировали из-за неправильного содержания воды в синтетическом оливине, который использовали в качестве аналога породы мантии. В конечном итоге всё-таки удалось довести эксперимент до конца и добиться достоверных результатов.

 

Температура мантии оказалась на 60°C выше, чем изначально считалось. Благодаря экспериментам с плавлением пород удалось достичь отметки 1410°C. Но ученые считают, чем ближе к ядру Земли, тем температура мантии выше и может достигать 4000°C. А возле земной коры ближе к поверхности Земли температура мантии составляет около 900°C.

 

Давление мантии Земли

 

Мантия является самым массивным и объёмным слоем планеты и достигает глубины 2890 км, имеет высокую плотность. Её давление рассчитывается, основываясь на плотностной модели Земли. Давление мантии, как и её температура, может отличаться в разных слоях и зависит от глубины. Возле континентальной коры оно равняется 1 ГПа, а в нижних слоях мантии достигает 140 ГПа. Под океанами, как правило, давление спадает.

 

Движение мантии Земли

 

Процессы, которые происходят в мантии, напрямую влияют на земную кору и всю поверхность планеты. Все эти движения являются причиной землетрясений, извержения вулканов, образования гор и перемещения материков.

 

На саму мантию сильно влияет земное ядро, возле которого она расположена. Есть предположение, что земная кора сформировалась из мантии и этот процесс не прекращается. Также учёные считают, что ядро Земли увеличивается за счёт мантии. На их границе происходит резкий скачок плотности и скорости волн.

 

Корни вулканов уходят в верхний слой мантии. Выход лавы и газов во время извержения тесно связан с процессами, происходящими в наружном слое мантии. Также на деятельность вулканов влияют разрывы в земной коре планеты. Магму, которая движется из глубин вулканов к их поверхности во время извержения, изучить практически невозможно. Более или менее доступна изучению лава, которая в отличие от магмы уже не имеет паров и газов.

Процессы, происходящие в мантии Земли

 

Под воздействием разницы температур в земной мантии обнаруживается тепловая конвекция. Это означает, что из нижних слоёв некоторые вещества поднимаются в верхние слои мантии. За счёт тепловой конвекции происходит движение литосферных плит.

 

Предполагается, что движение плит происходит по астеносфере, которая находится в размягчённом состоянии. Астеносферные слои располагаются как по вертикали, так и по горизонтали. Их чередование хорошо фиксируется под континентами на глубине от 100 км.

 

Способы изучения мантии Земли

 

Все слои, которые находятся ниже земной коры, очень труднодоступны для изучения. Огромные глубины, высочайшие температуры, прирост плотности и сильное давление существенно снижают возможности для получения информации о мантии и коре планеты.

 

Некоторые данные учёные получают с помощью фрагментов мантии, алмазов, горных образцов. Но стоит учитывать, что они никогда не заменят породу из глубоких слоёв Земли. Даже если некоторые фрагменты мантии достигают земной коры и выходят на поверхность, они теряют свои прежние свойства и особенности из-за изменения среды, в которой находятся.

 

На сегодняшний день основным способом изучения мантии Земли являются геофизические данные. Учёные делают свои предположения об особенностях строения мантии, изучая скорость сейсмических волн и электропроводность породы.

 

До появления сейсмологии знания человечества о строении Земли основывались только на предположениях и догадках. Благодаря этой науке и множеству проведённых исследований, современные знания о строении планеты вышли на новый уровень.

 

Сейсмические волны образуются в результате разлома породы. На определённых участках происходит высокое напряжение, которое нарушает прочность, и происходит разлом земной коры. Сейсмические волны бывают трёх видов.

 

  1. Продольная волна. Это звуковая волна, которая может распространяться как в твёрдых слоях породы, так и в жидкости. Такие колебания могут находиться в стадии сжатия, когда грузик сейсмографа сдвигается от эпицентра землетрясения, или в стадии растяжения, когда грузик двигается прямо к эпицентру подземных толчков.

 

  1. Поперечная волна. Она не может распространяться через газообразные или жидкие вещества. Движения этого типа волн похожи на поперечные колебания струны. Части материала всегда движутся в поперечном направлении по отношению к распространению волны.

 

Скорость поперечных и продольных волн напрямую зависит от того, в каких именно породах они проходят. Участки прохождения волн отличаются по упругости, плотности, происхождению.

 

  1. Поверхностная волна. Из названия понятно, что данные волны образуются и распространяются недалеко от поверхности Земли. Они делятся на два типа. Первый — волна сдвига или Лява. В ней движение частиц направлено поперечно распространению волны и происходит только в горизонтальной поверхности. Второй тип поверхностной волны — волна Рэлея. Она появляется сразу после волны сдвига, так как её скорость немного ниже. Благодаря волне Рэлея частицы породы делают обратное движение в вертикальной плоскости по направлению распределения волны.

 

Благодаря данным исследованиям учёные доказали, что планета Земля имеет четыре основных слоя: внутреннее ядро, внешнее ядро, мантия и земная кора.

 

Подземный «океан» в мантии

 

Исследования учёных из Франции и России свидетельствуют о том, что между верхней и нижней мантией на глубине 410-660 км содержится огромный резервуар с водой. По приблизительным подсчётам воды в подземном резервуаре много и её количество можно сопоставить с количеством воды во всём Мировом океане.

 

Учёные пока затрудняются ответить, почему в недрах планеты находится так много воды и как она туда попала. Существует предположение, что она оказалась во внутренних слоях Земли ещё во времена формирования планеты. Ранее геофизики считали, что водные ресурсы проникают в недра планеты из Мирового океана в результате движения литосферных плит, а также наслоения одной плиты на другую. Но количество воды слишком высокое для данного механизма её появления под землёй.

 

Исследования показывают, что так называемый круговорот воды на планете устроен намного сложнее, чем считалось ранее. В обычном для людей смысле назвать водой вещество, которое называют подземным «океаном», нельзя. Это не совсем та вода, которую человечество привыкло видеть. Этот минерал называется брусит. Он состоит из воды на 79%. Хотя содержание бурсита в мантии Земли равняется примерно 3%, подземный «океан», выйдя на поверхность, охватил бы всю Землю. Это явление считается невероятным и нереальным, если пользоваться только теми знаниями, которыми владеет человечество на данный момент.

 

Открытие подземных гор

 

В начале 2019 года на границе Голицына между верхней и нижней мантией геологи обнаружили горы и расщелины. В этом открытии помогли данные, которые были собраны сейсмическими станциями во время землетрясения в Боливии в 1994 году. Оно было такой силы, что волны достигли пограничного слоя между мантиями.

 

Учёные из Китайской академии наук выяснили, что граница Голицына имеет более грубую поверхность, чем наружный слой планеты. Высоту подземных возвышенностей померить не является возможным, но есть догадки, что они выше даже самых высоких гор на поверхности Земли.

 

Исследователи сделали вывод, что наличие гор в мантии говорит о сохранности земной коры и наружного слоя мантии в таком виде, который был ещё во время формирования планеты.

 

Изучение строения Земли — это актуальное направление геологических наук. Отличие в сейсмических характеристиках геосфер создаёт возможность моделировать геодинамические процессы. Благодаря изучению внутренних слоёв планеты стало понятно, что все земные оболочки обладают автономностью.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Яндекс.Метрика