Мантия — это в основном твердая часть недр Земли, составляющая около 82% объема Земли. Расположенная между корой и ядром, мантия простирается на глубину 2890 км (1800 миль), составляя около 84% объема Земли. Мантия делится на верхнюю и нижнюю мантию, которые разделены переходной зоной на глубине 400–650 км.
Мантия состоит из ультраосновных пород с высоким содержанием магния и железа. Основными минералами в мантии Земли являются силикатные минералы, такие как оливин, пироксен и гранат, которые имеют высокие температуры плавления, что позволяет им оставаться твердыми при огромном давлении и температурах. Верхняя мантия примерно на 64% состоит из оливина, на 16% из пироксена, на 8% из граната, а остальное состоит из оксида кальция, оксида алюминия, оксида железа и других минералов. Нижняя мантия содержит более высокую долю богатых магнием пироксенов и гранатов по сравнению с оливином. Точный состав и структура самой глубокой части мантии (слой D” чуть выше границы ядро-мантия) все еще плохо изучены.
Температура мантии увеличивается с глубиной от примерно 500–900 °C в верхней мантии до более 4000 °C вблизи границы ядро-мантия. Огромное давление в мантии возникает из-за веса вышележащего материала. Давление увеличивается от всего лишь нескольких килобар вблизи границы кора-мантия до почти 140 гигапаскалей (ГПа) на границе ядро-мантия.
Эти экстремальные температуры и давления заставляют нижнюю мантию вести себя как вязкое пластичное твердое тело, которое медленно течет в геологических масштабах времени. Но верхняя мантия может вести себя как вязкая жидкость в некоторых регионах.
Мантия медленно конвектирует в течение миллионов лет. Горячая плавучая порода поднимается через конвективные ячейки верхней мантии, в то время как более холодная, плотная мантийная порода опускается. Эта циркуляция массы и тепла управляет тектоникой плит на поверхности. Мантийные плюмы представляют собой восходящие выбросы горячего материала, которые могут сталкиваться с корой, вызывая вулканическую активность.
Может быть конвекция всей мантии между верхней и нижней мантией или может быть слоистая конвекция с отдельными конвективными ячейками в верхней и нижней мантии. 660-километровый сейсмический разрыв на границе между верхней и нижней мантией может препятствовать, но не полностью предотвращать перенос материала между конвективными ячейками верхней и нижней мантии.
Сейсмические волны проходят через Землю и позволяют нам исследовать ее глубокие недра. Изменения скоростей сейсмических волн выявили переходные зоны между различными слоями внутри мантии, вызванные фазовыми изменениями минералов. Основные мантийные сейсмические разрывы:
Мохоровичичич представляет собой переход от базальных пород земной коры к ультраосновному перидотиту верхней мантии. Разрывы 410 и 660 км вызваны минеральными фазовыми изменениями, поскольку повышение давления и температуры изменяет кристаллическую структуру минералов.
Ксенолиты мантии — это фрагменты горных пород, быстро выброшенные на поверхность Земли в результате вулканических извержений. Эти образцы позволяют геологам напрямую изучать состав верхней мантии. Ксенолиты перидотита и эклогита показывают, что верхняя мантия состоит в основном из оливина, пироксенов и гранатов.
Вот таблица, обобщающая некоторые ключевые физические свойства мантии:
| Свойство | Верхняя мантия | Переходная зона | Нижняя мантия |
|---|---|---|---|
| Глубина | 35-410 км | 410-660 км | 660-2890 км |
| Температура | 500-900°C | 900-1500°C | 1500-4000°C |
| Давление | 10-24 ГПа | 24-135 ГПа | 135-136 ГПа |
| Плотность | 3,3 г/см3 | 3,6-5,6 г/см3 | 5,6 г/см3 |
Частичное плавление происходит в астеносфере верхней мантии, что приводит к образованию базальтовые магмы и вулканизм. Присутствие воды и летучих веществ снижает мантийный солидус, способствуя плавлению. Мантийные плюмы могут образовывать крупные магматические провинции и потоки базальтов, когда они сталкиваются с основанием литосферы. Вероятно, в нижней мантии плавление очень ограничено из-за более высокого давления.
Конвективные ячейки, приводимые в действие тепловым потоком, приводят к медленной опрокидывающей циркуляции в мантии. Холодные плотные литосферные плиты погружаются обратно в мантию, в то время как горячие плавучие апвеллинги поднимаются через мантию. Эта циркуляция управляет тектоникой плит и заставляет континентальные плиты дрейфовать по поверхности Земли.
В меньшем масштабе мантийные плюмы представляют собой колонны горячей породы, которые поднимаются через мантию. Головы этих плюмов могут сталкиваться с основанием литосферы, образуя крупные магматические провинции и потоки базальтов. Гавайские острова образовались, когда Тихоокеанская плита двигалась по относительно неподвижной горячей точке, питаемой мантийным плюмом.
Состав мантии выводится из:
Эти линии доказательств указывают на то, что верхняя мантия в основном состоит из оливина с переходом к более высоким долям пироксенов и гранатовых минералов в нижней мантии.
мантия представляет огромные проблемы для прямого изучения из-за давлений и температур глубоко под землей. Геологи не брали образцы глубокой мантии напрямую – только верхние несколько сотен километров от ксенолитов мантии. Сейсмология предоставляет наилучшие средства для дистанционного зондирования глубоких недр.
Проблемы включают:
Будущие достижения могут быть получены за счет улучшения сейсмической визуализации, более высокого разрешения геодинамического моделирования, экспериментов при более высоких давлениях и температурах и, возможно, отбора образцов мантии с помощью проектов очень глубокого бурения.
Понимание мантии является ключом к разгадке многих фундаментальных вопросов о нашей планете, таких как:
Изучение мантии дает представление о геологических опасностях, истории Земли, климатических изменениях и динамике других каменистых планет. Какими бы сложными они ни были, исследования мантии останутся важными для понимания нашей планеты как сложной и динамической системы.
Мантия представляет собой обширный средний слой нашей планеты, простирающийся от Мохоровичича до границы ядро-мантия почти на 3000 км в глубину. Состоящая в основном из высокотемпературных силикатных пород, мантия медленно конвектирует в течение миллионов лет, помогая управлять тектоникой плит на поверхности. Изучение недоступной мантии опирается на изобретательные косвенные методы в сочетании с вычислительным моделированием и лабораторными экспериментами. Дальнейшие исследования предоставят более ясную картину внутреннего строения и динамики Земли, а также позволят лучше понять планетарные системы.