Верхня мантія Землі: склад, температура, цікаві факти

Мантія Землі — частина геосферы, розташована між корою і ядром. В ній знаходиться велика частка всього речовини планети. Вивчення мантії важливо не тільки з точки зору розуміння внутрішньої структури Землі. Воно може пролити світло на формування планети, дати доступ до рідкісних сполук і порід, допомогти зрозуміти механізм землетрусів і руху літосферних плит. Проте отримати інформацію про склад і особливості мантії непросто. Бурити свердловини так глибоко люди поки не вміють. Мантія Землі в основному зараз вивчається за допомогою сейсмічних хвиль. А також шляхом моделювання в умовах лабораторії.

Будова Землі: мантія, ядро та кора

Згідно сучасним уявленням, внутрішню будову нашої планети підрозділяється на кілька шарів. Верхній — це кора, далі лежать мантія і ядро Землі. Кора — тверда оболонка, ділиться на океанічну та континентальну. Мантія Землі відокремлена від неї так званої кордоном Мохоровичича (по імені хорватського сейсмолога, який встановив її місцезнаходження), яка характеризується стрибкоподібним зростанням швидкостей поздовжніх сейсмічних хвиль. Мантія становить приблизно 67 % маси планети. За сучасними даними, її можна розділити на два шари: верхній і нижній. У першому виділяють також шар Голіцина або середню мантію, яка є перехідною зоною від верхньої до нижньої. В цілому мантія простягається на глибині від 30 до 2900 км Ядро планети, за поданням сучасних вчених, складається в основному з залізоніколових сплавів. Воно також підрозділяється на дві частини. Внутрішнє ядро — тверде, його радіус оцінюється в 1300 км. Зовнішнє — рідке, має радіус в 2200 км. Між цими частинами виділяють перехідну зону.

Літосфера

Кора і верхня мантія Землі об'єднуються поняттям «літосфера». Це тверда оболонка, має стабільні та рухливі області. Тверда оболонка планети складається з літосферних плит, які, як передбачається, переміщуються по астеносфері — досить пластичному шару, ймовірно, представляє собою в'язку і сильно нагріту рідину. Вона є частиною верхньої мантії. Потрібно відзначити, що існування астеносфери як безперервної в'язкої оболонки не підтверджується сейсмологическими дослідженнями. Вивчення структури планети дозволяє виділити кілька подібних шарів, які розміщуються по вертикалі. У горизонтальному напрямку астеносфера, мабуть, постійно переривається.

Способи вивчення мантії

Шари, що лежать нижче кори, малодоступні для вивчення. Величезна глибина, постійне збільшення температури та зростання щільності є серйозною проблемою для отримання інформації про склад мантії і ядра. Однак уявити структуру планети все-таки можна. При вивченні мантії головними джерелами інформації стають геофізичні дані. Швидкість поширення сейсмічних хвиль, особливості електропровідності і сили тяжіння дозволяють вченим робити припущення про склад та інші особливості нижчих шарів. Крім того, деяку інформацію можна отримати з магматичних гірських порід і фрагментів мантійних порід. До числа останніх відносяться алмази, які можуть багато розповісти навіть про нижній мантії. Зустрічаються мантийные породи в земній корі. Їх вивчення допомагає зрозуміти склад мантії. Однак вони не замінять зразків, отриманих безпосередньо з глибоких шарів, оскільки в результаті різних процесів, що протікають у корі, їх склад відрізняється від мантійної.

Мантія Землі: склад

Ще одне джерело інформації про те, що являє собою мантія, — метеорити. Згідно сучасним уявленням, хондрити (найпоширеніша на планеті група метеоритів) за складом близькі до земної мантії. Передбачається, що вона містить елементи, які перебували у твердому стані або входили в тверде з'єднання в процесі формування планети. До них відноситься кремній, залізо, магній, кисень і деякі інші. У мантії вони, об'єднуючись з діоксидом кремнію, утворюють силікати. У верхньому шарі розташовуються силікати магнію, з глибиною зростає кількість силікату заліза. У нижній мантії відбувається розкладання цих сполук на оксиди (SiO 2 , MgO, FeO). Особливий інтерес для вчених представляють породи, що не зустрічаються в земній корі. Як передбачається, в мантії таких сполук (гроспидиты, карбонатиты і так далі) чимало.

Шари

Зупинимося докладніше на протяжності шарів мантії. За уявленнями вчених, верхніх з них займає діапазон приблизно від 30 до 400 км від земної поверхні. Далі розташовується перехідна зона, яка сягає вглиб ще на 250 км. Наступний шар — нижній. Його межа розташовується на глибині близько 2900 км і стикається з зовнішнім ядром планети.

Тиск і температура

З просуванням вглиб планети, підвищується температура. Мантія Землі, що знаходиться під дією вкрай високого тиску. В зоні астеносфери дія температури переважує, тому тут речовина знаходиться в так званому аморфному або полурасплавленном стані. Глибше під дією тиску воно стає твердим.

Дослідження мантії і границі Мохоровичича

Мантія Землі не дає спокою вченим вже досить тривалий час. В лабораторіях над породами, імовірно, входять до складу верхнього і нижнього шару проводяться експерименти, які дозволяють зрозуміти склад і особливості мантії. Так, японськими вченими було встановлено, що нижній шар містить велику кількість кремнію. У верхній мантії розташовуються запаси води. Вона надходить із земної кори, а також проникає звідси на поверхню.
Особливий інтерес представляє поверхня Мохоровичича, природа якої до кінця незрозуміла. Сейсмологічні дослідження припускають, що на рівні 410 км під поверхнею відбувається метаморфічне зміна порід (вони стають більш щільними), що проявляється в різкому збільшенні швидкості проведення хвиль. Передбачається, що базальтові породи в районі границі Мохоровичича перетворюються в эклогит. При цьому відбувається збільшення щільності мантії приблизно на 30 %. Є й інша версія, згідно з якою, причина зміни швидкості проведення сейсмічних хвиль криється в зміні складу порід.

Тікю Хаккен

У 2005 році в Японії було побудовано спеціально обладнане судно Chikyu. Його місія — зробити рекордно глибоку свердловину на дні Тихого океану. Вчені припускають взяти зразки порід верхньої мантії і границі Мохоровичича, щоб отримати відповіді на багато питань, пов'язані з будовою планети. Реалізація проекту запланована на 2020 рік. Потрібно відзначити, що вчені не просто так звернули свій погляд саме до океанічним надр. Згідно з дослідженнями, товщина кори на дні морів значно менше, ніж на континентах. Різниця суттєва: під товщею води в океані до магми потрібно подолати в окремих областях всього 5 км, тоді як на суші ця цифра збільшується до 30 км. Зараз судно вже працює: отримані зразки глибоких вугільних пластів. Реалізація головної мети проекту дозволить зрозуміти, як влаштована мантія Землі, які речовини і елементи складають її перехідну зону, а також з'ясувати нижня межа поширення життя на планеті. Наше уявлення про будову Землі поки що далеко не повна. Причина цього — складність проникнення в надра. Однак технічний прогрес не стоїть на місці. Досягнення науки дозволяють припустити, що в недалекому майбутньому ми будемо знати про характеристики мантії набагато більше.