Как выглядит мантия земли: Ой! Страница не найдена :(
Прикоснуться к мантии
Л. Викторова
«Химия и жизнь» №12, 2012
Вряд ли мы когда-нибудь узнаем, из чего состоит ядро Земли, — добраться до него и отщипнуть кусочек для исследования невозможно. Но есть шанс прикоснуться к мантии, окутывающей ядро и отделяющей от него земную кору. Прошедшей осенью мир узнал о начале международного проекта «Mohole to Mantle» — бурении скважины на глубину шесть километров под дном океана. Это самый короткий путь к мантии: ближе всего она подходит именно к океаническому дну, местами на 5–6 км. Чтобы добуриться до мантии с континентов, придется пройти не один десяток километров. Причем пройти сквозь слои гранита и базальта, из которых, согласно современным представлениям, состоит земная кора. Под дном океана гранитного слоя нет, сразу начинается базальт. Если всё пойдет по плану, то добраться до мантии ученые смогут уже в 2020 году.
Проект «Мохол»
В названии проекта «Mohole to Mantle
Первая попытка добуриться до границы Мохо была предпринята в 1961–1966 годах. Это был проект Национальной академии наук США, получивший финансирование от Национального научного фонда США. Идею высказали Уолтер Мунк, известный американский океанограф, и его коллега Гарри Гесс в 1957 году. Они-то и придумали название «
Место для бурения выбрали в Тихом океане, неподалеку от вулканического острова Гуадалупе, к западу от Мексики, где до дна 3,5 км. Главный вопрос заключался в том, с чего бурить. Ведь тогда еще не было специальных буровых платформ, какими сегодня располагают нефтяные компании. К счастью, в 1956 году консорциум CUSS (
Первая фаза эксперимента (всего предполагалось три) продолжалась с 1961 по 1966 год. Было чрезвычайно трудно, особенно удерживать баржу на одном и том же месте в состоянии равновесия. Здесь помогли Военно-морские силы США, которые обеспечивали работу всей своей навигационной мощью, доступной в те годы. Невероятный энтузиазм исследователей помогал преодолевать трудности, тем более что общество с интересом следило, как развиваются события. Известный американский писатель Джон Стейнбек, океанограф-любитель, называл этот проект «первым прикосновением к новому миру» и регулярно писал репортажи в журнал «Лайф» с борта «CUSS 1»: «Первые образцы мягкие… Ядро размером 2,75 дюйма — это серо-зеленая глина возрастом 10–30 миллионов лет».
За пять лет исследователи пробурили пять скважин, собрали множество образцов из базальтового слоя, но до мантии не дошли — проект остановился на отметке 183 метра под дном. Второй его этап так и не начался. К этому моменту было уже потрачено 50 миллионов долларов. Национальный научный фонд признал результаты неудовлетворительными, а конгресс США посчитал расходы на этот проект неоправданными. Проект закрыли, и он остался в истории как первая попытка дотянуться до мантии через океан.
Организованное бурение
Но не только. «Мохол» показал, что глубоководное бурение возможно в принципе и что для этого необходимо развивать соответствующие технологии и оборудование. Вот почему очень скоро, в июне 1966 года, Национальный научный фонд США открывает большую Программу глубоководного морского бурения DSDP (Deep Sea Drilling Program). А уже через два года в морскую экспедицию отправляется научно-исследовательский буровой корабль нового поколения «Гломар Челендежр» («
«Гломар Челенджер» успешно проработал до 1985 года. За эти годы он накрутил 376 тысяч миль, с его помощью были исследованы 624 точки в океане, поднято со дна 170 километров кернов, из которых 57% в качестве образцов отправили в лаборатории для научных исследований. С этого корабля удалось бурить морское дно под семикилометровой толщей воды и углубиться в земную кору под дном на 1,7 км.
В 1985 году Национальный научный фонд США запускает следующую научную программу глубоководного бурения океана ODP (Ocean Drilling Program). Для нее уже готов исследовательский корабль третьего поколения — преемник отработавшего свое «Гломар». Он получил название «JOIDES Resolution», «JR» (Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling) в честь корабля «Resolution», на котором капитан Джеймс Кук совершил свое второе знаменитое путешествие по Тихому океану 200 лет назад.
Результаты первой же экспедиции с его участием подтвердили, что еще 65 миллионов лет назад Гренландия, Канада и Западная Европа существовали в виде одного огромного континента. «JR» стал первым исследовательским кораблем, собравшим образцы породы рядом с черными курильщиками в Атлантическом океане.
Послужной список «JR» за 1985–2003 годы тоже впечатляет. Шесть с половиной тысяч дней он работал в океане, преодолел 356 тысяч миль, исследовал 669 точек в океане, поднял на борт 321,5 км кернов, 69% которых стали объектом исследования, пробурил 1797 скважин под дном океана, самая глубокая из которых — 2,11 км.
Однако каждая следующая сотня метров погружения в глубь тела Земли давалась всё с большим трудом и требовала всё больше денег. К началу восьмидесятых стало ясно, что исследовательское глубоководное бурение требует не только координации, но и объединения ресурсов, потому что страны уже не могут в одиночку осилить бюджеты амбициозных, но столь важных для человечества исследовательских проектов. Такой поворот событий касается не только наук о Земле. Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, международный термоядерный реактор ITER в Кадараше, исследования на Международной космической станции, проект «Геном человека» — все они стали возможны лишь благодаря международной кооперации ученых и объединению финансовых ресурсов.
Вот почему в 2003 году появляется Международная комплексная программа глубоководного бурения в океане IODP (
За декларацией последовала огромная организаторская работа. Были построены три крупнейших современных хранилища кернов в университете TAMU в Техасе (США), в Бременском университете (Германия) и в Университете Коти (Япония). Они доступны всем участникам программы для исследовательских и образовательных целей, как и научные публикации, базы данных и реестр экспедиций, номера которых давно уже перевалили за третью сотню.
Но главное — теперь сообща можно планировать большие экспедиции с грандиозными целями. Именно таким стал проект «Mohole to Mantle», который стартует в октябре 2013 года и подготовка к которому уже началась.
«Открытие Земли»
Инициатором проекта бурения к мантии выступило Японское агентство науки и технологий по изучению морского дня JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology). Во-первых, потому, что Япония сегодня — крупнейшая морская страна с развитыми морскими технологиями, а во-вторых — исследование океанического дна жизненно важно для Японии, это ключ к решению многих ее проблем.
Япония объявила о большом комплексном проекте «Тикю Хаккэн» («Открытие Земли»). По заказу JAMSTEC японские компании «Mitsui Engineering & Shipbuilding» и «Mitsubishi Heavy Industries» построили специальный исследовательский корабль «Тикю» («Земля»). И в июле 2005-го заказчик получил огромный, красивый, современный буровой корабль четвертого поколения (см. фото). На корабле есть вертолетная площадка, чтобы технические команды могли сменяться каждые две недели, научные лаборатории, в которых могут работать 50 научных сотрудников, и помещения для экипажа из 100 человек. Создание этого шедевра современного инженерного и технического искусства обошлось правительству Японии в 415 миллионов евро.
Не успел «Тикю» сойти на воду, как экспедиции последовали одна за другой. За эти семь лет по программе IODP «Тикю» поработал в 13 экспедициях, не считая пяти сугубо японских исследовательских проектов. Только один международный проект NanTroSEIZE (Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment), начавшийся в 2007 году, потребовал восемь раз выходить в океан на продолжительный срок, и до окончания еще год. Его цель — понять, как зарождаются землетрясения и цунами. Для этого исследователи бурят скважины под дном океана в так называемой зоне субдукции, где океаническая кора пододвигается под активную континентальную окраину и погружается в мантию. Именно в таких зонах происходит множество сильных землетрясений, здесь часто просыпаются вулканы и зарождаются мощные цунами.
Бурение происходит на юго-западном побережье Японии, как раз в Японско-Курильской-Камчатской зоне субдукции. Задача — пробурить 13 скважин разной глубины и установить различные сенсоры, чтобы следить за процессами, происходящими на глубине, ловить предвестников землетрясений и цунами, изучить механизм землетрясений. Здесь к концу января ожидается очередной рекорд глубоководного бурения — 3,6 км. Затем последует четвертая стадия проекта, когда бур должен будет проникнуть еще глубже, на саму кухню землетрясений.
Еще одно большое дело, в котором участвовал «Тикю», — это биосферный проект исследования угольных пластов, залегающих глубоко под дном океана на северном побережье острова Хонсю, вблизи полуострова Симокита. В сентябре здесь уже поставлен рекорд — достигнута рекордная отметка под дном океана, 2,466 км. О том, как работал «Тикю» в этой экспедиции, снят впечатляющий документальный фильм, который можно посмотреть в Интернете. Словами этого не пересказать. Лучше один раз увидеть, как исследователи из разных стран мира просто бросаются к кернам, только что поднятым на палубу, нюхают их, трогают и чуть ли не пробуют на язык.
Благодаря этой экспедиции, завершившейся в сентябре 2012 года, собрано огромное количество образцов, исследование которых идет полным ходом. Ученые надеются найти в них разные формы микробной жизни, понять, как они участвуют в глобальном цикле углерода, где берут энергию и питательные вещества на такой большой глубине под землей, как производят природный газ. Вопросов очень много, и все они должны помочь нам лучше понять, как живет и функционирует подвижная и изменчивая система Земля, от которой зависят климат и жизнь на ее поверхности.
За прошедшие семь лет «Тикю» продемонстрировал свою уникальную работоспособность и мощность, устанавливая рекорд за рекордом. Именно этот исследовательский буровой корабль станет главным действующим лицом в проекте «Mohole to Mantle». Проект потребует много денег. И хотя правительство Японии уже вложило почти полмиллиарда евро в строительство корабля, еще как минимум миллиард потребуется на его обслуживание в течение предстоящего путешествия к мантии. Но эта задача решаема, если навалиться всем миром.
Подготовка уже началась. Сейчас исследователи выбирают наиболее подходящее место в океане. Суммарно «Тикю» может обеспечить глубину бурения 10 км. Если мы хотим углубиться в земную кору на 6 км, чтобы встретиться с мантией, то надо выбрать такое место в Тихом океане, где, во-первых, мантия подходит к земной коре на 6 км, а во-вторых, водная толща океана не превышает 4 км, лучше — еще поменьше. И если все получится, то в 2020 году мы получим уникальный образец — кусочек мантии Земли. Это всё равно что получить в руки образец марсианского грунта. Дэмон Тигл (Damon Teagle) из Университета Саутгемптона в Великобритании, один из научных руководителей проекта, назвал его самой грандиозной задачей в истории наук о Земле.
Зачем это нужно?
Глубоководное бурение идет по всему миру. Если посмотреть на карту Мирового океана, то он весь усыпан точками, обозначающими места проникновения под его дно, концентрация которых возрастает к побережью. К началу XXI века количество скважин исчислялось десятками тысяч! Конечно, большинство из них — коммерческие, с их помощью ищут полезные ископаемые, нефть и газ. Однако исследовательское бурение преследует фундаментальные научные цели. Парадоксально, но строение нашей Галактики мы знаем лучше, чем строение Земли. Каждый кусочек керна, поднятый из глубин земной коры, может рассказать нам о многом. Например, о строении коры, которую мы представляем себе пока лишь на основе косвенных экспериментальных данных, прослушивая Землю с помощью разных излучений. Образцы кернов расскажут нам, как далеко простирается жизнь в глубь Земли, как микроорганизмы выживают в таких условиях, когда зародилась жизнь на Земле и многое другое.
Сверхглубокое бурение — это потрясающая интрига, это прямой научный эксперимент, который может дать поразительные, неожиданные, изумляющие результаты, они могут перевернуть наши представления о Земле. Не все, разумеется, но в какой-то части. Именно такие результаты первыми в мире получили советские исследователи на Кольской сверхглубокой скважине. О Кольской сверхглубокой, поднявшей в свое время престиж отечественной науки на невероятную высоту, написано очень много в Интернете, в журналах, в книгах. И тем не менее здесь уместно коротко вспомнить эту красивую и трагическую историю, хотя она связана с бурением на земле, а не в океане.
Самую глубокую в мире научно-исследовательскую скважину на континенте начали бурить в мае 1970 года, в честь 100-летия со дня рождения В. И. Ленина. Закончилось бурение на отметке 12,262 км в 1989 году. Для скважины выбрали место на северо-западе Кольского полуострова, в 10 км от города Заполярный, неподалеку от нашей границы с Норвегией. Здесь на поверхность Балтийского щита выходят древнейшие изверженные породы возрастом около трех миллиардов лет. В толщу именно таких пород пока еще никто не залезал, разве что максимум на один-два километра, бурили в основном осадочные породы. А кроме того, здесь находится так называемый Печенгский прогиб, похожий на огромную чашу, как будто вдавленную в древние породы. Видимо, она образовалась в результате глубинного разлома, и именно здесь находятся крупные медно-никелевые месторождения.
Кольская сверхглубокая должна была ответить на множество вопросов: как происходит образование руд, где пролегают границы между слоями в континентальной коре, как меняется состав пород по мере продвижения в глубь земной коры и другие. Из ее недр с разных глубин подняты уникальные для науки материалы — керны породы суммарной длиной 4,4 км. Что же удалось узнать благодаря Кольской сверхглубокой? Как сказал в одном из выступлений министр геологии СССР (1975–1989), профессор Е. А. Козловскй, каждый метр Кольской — это открытие. О результатах исследования уникальных кернов не раз рассказывал Д. М. Губерман, доктор технических наук, заслуженный геолог РСФСР, бессменный директор Кольской сверхглубокой, ушедший из жизни в октябре 2011 года.
Геологи предполагали, что до глубины 5 км залегает гранитная толща, за которой следуют более прочные и более древние базальтовые породы. Об этом говорили данные сейсмического зондирования. Однако на Кольской скважине, пройдя больше 12 км, так и не добурились до базальта. Значит, послойное строение Земли — не догма? Этот фундаментальный вопрос требует дальнейших исследований.
Кроме того, оказалось, что на глубине более 7 км залегают не более плотные, а менее плотные и менее прочные породы, архейские гнейсы. На глубинах 9–12 км исследователи обнаружили высокопористые породы, насыщенные сильно минерализованными водами, — одно из главных действующих лиц в процессе образования руд. Прежде геологи полагали, что это происходит на значительно меньшей глубине. Но именно в кернах с глубины 9–12 км исследователи обнаружили повышенное содержание золота, до одного грамма на тонну породы. В принципе такая концентрация уже пригодна для промышленной разработки. Хотя столь большая глубина вряд ли сделает этот процесс экономически целесообразным, хотя где-то эти породы выходят на поверхность Земли, надо поискать. А вот наличие воды в порах породы на большой глубине — важнейшее прикладное знание, которое делает абсолютно нецелесообразным захоронение радиоактивных отходов в глубоких скважинах.
Приятную новость принесли керны с глубины 1,8 км. Здесь были найдены большие запасы медно-никелевых руд. Сегодня «Норникель» уже построил соответствующие шахты и начал добычу никеля на этой глубине.
Вообще, на сверхглубокой скважине работать сложно. Оказалось, что по мере углубления в Землю температура растет быстрее, чем было предсказано теоретически: на глубине 6 км градиент составил 20 градусов на каждый километр вместо обещанных 16-ти. На глубине 12 км температура составила 220 градусов — никто не ожидал, что будет так жарко. Исследователи считают, что у этого разогрева отчасти радиогенная природа. Тем не менее наши инженеры создали уникальное оборудование, включая исследовательские приборы, которые могли работать при столь высокой температуре. Вообще, на Кольской сверхглубокой использовали только отечественные машины и механизмы: турбобуры, легкие титановые трубы, механизмы и приборы, которые пришлось совершенствовать по мере работы. И это безусловное достижение.
Неожиданным для исследователей оказался тот факт, что на больших глубинах, где нет осадочных пород, появился природный газ метан. Отчасти поэтому керны, быстро поднятые на поверхность, буквально рассыпались в руках. Конечно, свою роль играл и резкий перепад давлений. Однако газ, стремительно покидающий поры образца, может «взорвать» его.
Большое содержание метана на глубине — хорошая новость для тех, кто сегодня проводит уникальные эксперименты, подтверждающие возможность образования природного газа из минеральных компонентов. В самом деле, все необходимые компоненты — водород, железо, карбонаты, сильное сжатие — на глубине есть. Именно такие условия моделируют в своих экспериментах химики, получающие легкие углеводороды в установках высокого давления.
Очень важно для науки и то, что обнаружены 14 типов окаменелостей микроорганизмов на той глубине, на которой их не должно было бы быть, согласно принятым оценкам возраста жизни на Земле: возраст этих глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет.
А вот еще один поразительный результат. Когда американцы доставили на Землю первые образцы лунного грунта, то оказалось, что по составу и свойствам они почти идентичны тем, которые подняли из скважины с глубины 3–4 км. Таким образом, предположение, что Земля и Луна некогда были одним целым, получило некоторое экспериментальное подтверждение.
В 1992 году правительство отказалось продолжать финансирование шахты. В 2008 году ее обанкротили, а потом задраили. Слава отечественной науки превратилась в прямом смысле в свалку. Сейчас она закрыта, хотя были планы пробурить до 15 км, точнее — так глубоко, как только окажется возможным. Но сегодня это государству почему-то не нужно. Хотя Кольская сверхглубокая по-прежнему остается самой глубокой вертикальной скважиной в мире.
Керны, которые были подняты из скважины, обеспечили работу исследователям на многие годы. Да и сейчас этот уникальный испытательный стенд мог бы давать ответы на очень важные вопросы, в том числе прикладные. Например — как ведет себя буровое и прочее оборудование на больших глубинах. А если в скважине установить сейсмодатчики и прочие сенсоры на разных глубинах, то, возможно, предсказание разрушительных землетрясений стало бы более точным. Да мало ли что еще полезного можно было бы сделать в этой уникальной глубинной лаборатории! Организовать, например, научный, образовательный и туристический центр, открыть колледж по подготовке буровиков — эта профессия будет чрезвычайно востребована уже в ближайшие годы.
Кольская сверхглубокая не дотянулась до мантии, да и трудно это сделать на континенте — уж больно глубоко надо бурить. Возможно, проект «Mohole to Mantle» решит эту задачу. Сложно, дорого, долго, но стоит того. Ведь мантия, сложенная из силикатов магния, железа и кальция, на долю которой приходится 67% всей земной массы и 83% объема, слишком многое определяет в нашей земной жизни. Фазовые переходы, пластические деформации, теплоперенос — все эти процессы, не останавливающиеся в мантии ни на минуту, приводят в движение континенты и литосферные плиты, порождают землетрясения и цунами, заставляют извергаться вулканы. «Мантия — это двигатель нашей планеты», — точно заметил Дэмон Тигл. Вот почему так важно добраться до нее и получить возможность исследовать ее напрямую.
Если расчеты геофизиков верны и верхняя граница мантии действительно пролегает на глубине 6 км под дном океана (в определенных местах), то очень высока вероятность, что путешествие к мантии в 2020 году завершится успешно и мы заново откроем для себя Землю.
Но это будет лишь первый шаг. Для системного исследования одной глубокой скважины на Земле мало. Нужна сеть подобных скважин по всему миру, на континентах и шельфах. Все они как единая система дадут нам более точное знание. А главное — более точный прогноз приближающихся землетрясений, цунами и вулканических извержений. И в этой мировой системе должна занять свое место Кольская сверхглубокая скважина. Я почему-то уверена, что в ее судьбе точка не поставлена. Хотя времени на размышления очень мало: Земля умеет залечивать свои раны, и через год-другой уникальную скважину можно потерять.
Строение Земли — урок. География, 5 класс.
Учёные выделяют во внутреннем строении Земли три основные оболочки: земную кору, мантию и ядро. Они отличаются по своей мощности, твёрдости и плотности, давлению и температуре.
Внутреннее строение Земли можно сравнить с яблоком (земная кора — кожура, мантия — мякоть, ядро — сердцевина).
Ядро — центральная часть земного шара. В нём очень высокое давление и температура \(+4000\) °С — \(+5000\) °С. Масса ядра составляет \(30\) % массы нашей планеты, объём — \(15\) % объёма Земли. Это связано с тем, что ядро состоит из плотного и тяжёлого вещества (возможно железа).
Ядро располагается на глубине более \(2900\) км и имеет радиус около \(3550\) км (внутреннее ядро — \(1300\) км, внешнее — \(2250\) км).
Движение внутреннего твёрдого ядра во внешнем жидком создаёт магнитное поле Земли. Оно спасает нашу планету от вредных для жизни космических лучей. С помощью магнитного поля можно определить стороны горизонта, так как стрелка компаса на него реагирует.
Мантия (от греч. «шерстяной плащ») — часть Земли, которая расположена между земной корой и ядром. Мантия составляет более \(80\) % Земли, её масса почти \(70\) % массы нашей планеты. Толщина мантии — около \(2900\) км.
Давление и температура мантии (в среднем \(+2000\) °С — \(+2500\) °С) увеличивается с глубиной. Вещество мантии в основном находится в твёрдом состоянии. Но его плотность ниже плотности ядра.
Астеносфера — слой мантии, где вещество находится в расплавленном и пластичном состоянии. По этому слою движутся литосферные плиты.
В составе мантии преобладают кислород, кремний и магний.
Земная кора — твёрдая и самая тонкая наружная оболочка Земли: её наибольшая мощность (\(8\)–\(40\) км) в \(90\) раз меньше радиуса Земли. На долю земной коры приходится менее \(1\) % массы земного шара и около \(5\) % объёма.
В составе земной коры преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. Температура в земной коре, начиная с глубины \(20\)–\(30\) км, постепенно возрастает в среднем на \(3\) °С на каждые \(100\) м.
о чём расскажет глубочайшая подводная скважина — РТ на русском
Участники проекта по созданию самой глубокой подводной скважины приступают к оценке выбранного места для бурения. Реализация данной инициативы является частью международной программы по исследованию океана. Его цель — добраться до мантии Земли. RT рассказывает, зачем учёным понадобилась скважина глубиной 6 километров в Тихом океане.
Сила, сдвигающая континентыЗемное нутро ближе, чем космические дали: примерно под таким девизом работают исследователи над проектом бурения земной коры до верхнего слоя мантии, которая занимает около 80% объёма планеты и весит чуть меньше 70% массы Земли. Пока всё, что было доступно учёным, — это небольшие фрагменты породы, которые случайно вынесло на поверхность, лава, остающаяся после извержения вулканов, и наблюдение за распространением сейсмических волн сквозь толщу Земли.
Протекающие в мантии процессы непосредственно влияют на поверхность планеты. Движение континентов и образование горных хребтов объясняются активностью мантии. Кроме того, под земной корой рождаются землетрясения и цунами, которые угрожают, в частности, Японии, являющейся инициатором проекта. Исследователи считают, что изучение мантии не только станет дорогой научной инициативой, но и принесёт практический результат.
«В Японии есть вулканы, происходят землетрясения и другие природные катастрофы. Хочется создать устройства для слежения за этими происшествиями и для их анализа. Но мы даже не знаем, какие учитывать факторы», — поясняет участник проекта из Японского агентства науки и технологии по изучению морского дна (JAMSTEC) Нацуэ Абе.
Для эффективных прогнозов таких скважин нужно несколько, пока же нет ни одной.
Увидеть мантию своими глазамиНачало инициативе было положено ещё в 2003 году, а осенью 2017 года исследователи из Азии, Европы, Северной Америки и Австралии дадут старт новой стадии проекта по бурению скважины в земной коре в рамках международной программы по исследованию океана IODP. В её рамках исследователи изучат наиболее перспективное, по предварительным оценкам, место: дно Тихого океана неподалёку от Гавайских островов. Есть и две запасные локации. Одна из них находится у побережья Мексики, вторая — недалеко от Коста-Рики.
Несмотря на наибольшую из трёх вариантов глубину — толща океана в выбранном месте у Гавайских островов составляет 4 км, — бурить тут придётся меньше. Толщина земной коры варьируется от 30 до 60 км на суше и от 4 до 7 км в океане. Исследователям придётся пробурить чуть меньше 6 км коры, после чего скважина, предположительно, углубится ещё примерно на километр в мантию.
Чтобы поднять из недр необходимые образцы, учёные придумали хитрый способ. В скважину будут заливать воду и под её давлением на поверхность, как ожидается, выбьет вещество, которое заполняет пространство между ядром и поверхностью Земли.
До глубинных слоёв мантии добраться, очевидно, не получится. Исследователи углубятся примерно до уровня так называемой границы Мохоровичича. Это открытый в 1909 году хорватским геологом Андреем Мохоровичичем условный слой, в котором меняется скорость распространения сейсмических волн, что может говорить об изменении химического состава и физических свойств вещества.
Кроме того, в процессе бурения исследователи смогут узнать, насколько глубоко в поверхности планеты существует жизнь.
Ещё одна попыткаК слову, геологи одновременно разочарованно (от нехватки необходимых знаний) и восхищённо (поскольку планета не перестаёт удивлять учёных) рассказывают: с каждым новым исследованием приходит понимание, что строение даже верхнего слоя Земли сложнее, чем казалось ранее. Чем глубже уходят новые скважины, тем больше новых подробностей о земной коре и её истории выясняют учёные.
Так, масштабный российский проект по бурению — Кольская сверхглубокая скважина — преподносил сюрпризы один за другим.
- Кольская сверхглубокая скважина
- РИА Новости
Место для научного исследования глубин выбрали, поскольку в этом месте граница Мохоровичича находится близко к поверхности, однако добраться до неё так и не получилось. На глубине более 12 км работы свернули по техническим причинам.
Однако за время бурения в 1970—1990 годах учёные узнали, что по мере погружения вглубь Земли температура растёт быстрее, чем предсказывали теоретические расчёты. К тому же было обнаружено, что в твёрдой породе на неожиданной глубине залегает руда относительно невысокой плотности: пробурив 2 километра, геологи обнаружили залежи медно-никелевых руд. Зато базальта — вулканической породы, которую ожидали извлечь с глубины около 5 км в соответствии с анализом сейсмических волн, — найти так и не удалось.
Другое научное исследование по изучению мантии (оно проходило в 1960-х годах и там речь шла уже о подводном бурении) тоже успехом не завершилось. Тогда за 5 лет бурения у острова Гуадалупе в рамках американского проекта «Мохол» (1961—1966) удалось пробурить скважину глубиной чуть больше 180 метров. Ожидаемых результатов «Мохол» не принёс, и конгресс США решил не продолжать финансирование проекта, на который уже было потрачено $50 млн.
Нынешний проект на первый взгляд обещает быть более успешным. Первые пробы подводного бурения на большую глубину и предварительные исследования проводят при помощи двух судов: японского «Тикю» и американского JOIDES Resolution. Корабль «Тикю» уже продемонстрировал свои возможности: в 2012 году учёные пробурили скважину и извлекли образцы пород с глубины более 2 километров.
- Буровое судно «Тикю»
- © www.jamstec.go.jp
Глубина, которую можно достичь при помощи JOIDES Resolution, также впечатляет, несмотря на то что корабль используется на относительном мелководье. В ходе испытаний JOIDES Resolution, которые начались в конце зимы 2017 года в Южно-Китайском море, планируется пробурить четыре скважины глубиной от 882 до 1670 метров на глубине от 2,8 до почти 4 километров.
Тем не менее в 2018 году, как изначально надеялись участники проекта, бурение начать уже не удастся. Техника до сих пор требует доработки. В ходе предстоящих работ на Гавайских островах исследователи будут уточнять толщину коры и другие данные о регионе, чтобы уменьшить риск неудачи и понять, чего не хватает имеющейся аппаратуре. По словам Абэ, активная фаза проекта — бурение скважины — начнётся не позже 2030 года.
Горячая мантия ранней Земли – основание существования глобального океана
Согласно новому исследованию, обширный глобальный океан мог покрывать раннюю Землю в раннем архейском эоне, от 4 до 3,2 миллиарда лет назад, что является побочным эффектом более горячей мантии, чем сегодня, — пишет eurekalert.org.
Согласно новому исследованию, обширный глобальный океан мог покрывать раннюю Землю в раннем архейском эоне, от 4 до 3,2 миллиарда лет назад, что является побочным эффектом более горячей мантии, чем сегодня, — пишет eurekalert.org со ссылкой на AGU Advances.
По словам авторов исследования, новые результаты ставят под сомнение более ранние предположения о том, что размер глобального океана Земли оставался постоянным с течением времени, и дают ключ к разгадке того, как его размер мог изменяться в течение геологического времени.
Большая часть поверхностных вод Земли находится в океанах. Но есть второй резервуар с водой глубоко внутри Земли в виде водорода и кислорода, присоединенных к минералам в мантии.
Новое исследование оценивает, сколько воды потенциально могла удерживать мантия сегодня и сколько воды она могла хранить в прошлом.
Результаты показывают, что, поскольку ранняя Земля была горячее, чем сегодня, ее мантия могла содержать меньше воды, потому что минералы мантии удерживают меньше воды при более высоких температурах. Если предположить, что в настоящее время мантия более чем в 0,3-0,8 раза превышает массу океана, более крупный поверхностный океан мог существовать во время раннего архея. В то время температура мантии составляла около 1900–3000 градусов по Кельвину (2960–4940 градусов по Фаренгейту) по сравнению с 1600–2600 градусами Кельвина (2420–4220 градусов по Фаренгейту) сегодня.
По мнению авторов, если бы на ранней Земле был океан большего размера, чем сегодня, это могло бы изменить состав ранней атмосферы и уменьшить количество солнечного света, отражающегося обратно в космос. Эти факторы повлияли бы на климат и среду обитания, в которой зародилась жизнь на Земле.
«Иногда легко забыть, что глубокие недра планеты на самом деле важны для того, что происходит с поверхностью», — сказала Ребекка Фишер, физик-минерал из Гарвардского университета и соавтор нового исследования.
Уровень моря на Земле оставался довольно постоянным в течение последних 541 миллиона лет. Уровни моря из более ранней истории Земли оценить сложнее, потому что из архейского эона сохранилось мало свидетельств. В течение геологического времени вода может перемещаться с поверхности океана во внутренние районы через тектонику плит, но размер этого потока воды не совсем понятен. Из-за этой нехватки информации ученые предположили, что размер глобального океана останется постоянным в течение геологического времени.
В новом исследовании соавтор Джунджи Донг, физик-минералог из Гарвардского университета, разработал модель для оценки общего количества воды, которое мантия Земли может потенциально хранить в зависимости от ее температуры. Он включил существующие данные о том, сколько воды могут хранить различные минералы мантии, и рассмотрел, какие из этих 23 минералов встречались на разных глубинах и в разное время в прошлом Земли. Затем он и его соавторы связали эти оценки хранения с объемом поверхности океана по мере охлаждения Земли.
Джун Коренага, геофизик из Йельского университета, который не принимал участия в исследовании, сказал, что это первый раз, когда ученые связывают данные физики минералов о хранении воды в мантии с размером океана. «Эта связь никогда не рассматривалась в прошлом», — сказал он.
Донг и Фишер отмечают, что их оценки емкости мантии по хранению воды несут большую неопределенность. Например, ученые не до конца понимают, сколько воды может храниться в бриджманите — главном минерале мантии.
Новые результаты проливают свет на то, как глобальный океан мог измениться с течением времени, и могут помочь ученым лучше понять водные циклы на Земле и других планетах, что может быть полезно для понимания того, где может развиваться жизнь.
«Определенно полезно знать что-то количественное об эволюции глобального водного баланса, — сказала Сьюзан ван дер Ли, сейсмолог Северо-Западного университета, не участвовавшая в исследовании. — Я думаю, что это важно для мелких сейсмологов, таких как я, которые делают изображения текущей структуры мантии и оценивают ее содержание воды, но это также важно для людей, охотящихся за водоносными экзопланетами и спрашивающих о происхождении нашей воды».
Донг и Фишер теперь используют тот же подход, чтобы вычислить, сколько воды может удерживаться внутри Марса.
«Сегодня Марс выглядит очень холодным и сухим, — сказал Донг. — Но многие геохимические и геоморфологические данные свидетельствуют о том, что ранний Марс мог содержать немного воды на поверхности — и даже небольшой океан — поэтому есть большой интерес к пониманию круговорота воды на Марсе».
[Фото: eurekalert.org]
Как мантия Земли похожа на картину Джексона Поллока
20 мая — ГЛАС. В бесчисленных школьных учебниках науки мантия Земли представляет собой желто-оранжевый градиент, туманно определенный слой между корой и ядром.
Для геологов мантия — это нечто гораздо большее. Это место, где рождается дно океана и где умирают тектонические плиты. Если посмотреть на картину Джексона Поллока, будет много разных цветов. Эти цвета представляют различные компоненты мантии, а линии являются магмами, произведенными этими компонентами и транспортированными на поверхность.
Доступ к мантии приходит в форме лавы, которая извергается на срединно-океанских хребтах. Эти хребты находятся в середине океанского дна и генерируют новую океаническую кору. Ученые попытались выяснить, как выглядит мантия до того, как она поднимется в виде лавы на Срединно-океаническом хребте. Они проанализировали образцы сантиметр за сантиметром, чтобы посмотреть на вариации изотопов неодима и стронция, которые могут указывать на различную химию мантийного материала, поступающего из разных типов горных пород.
Вероятная причина, считают ученые, заключается в том, что разные породы плавятся при разных температурах. Конечным результатом является несколько сетей каналов, которые сходятся к срединно-океаническому хребту, но не смешиваются, прислушиваясь к полосам краски на картине Джексона Поллока. В какой-то момент между глубокой мантией и срединно-океанским хребтом Земля включает блендер. Результаты показывают, что в самой верхней части мантии смешивание еще не произошло.
В настоящее время создается новая экспериментальная лаборатория петрологии для изучения условий сохранения магмами своего химического состава во время их путешествия по мантии и коре.
Ранее ГЛАС сообщал, что общего у ядра Земли с салатной заправкой. В новом исследовании команда обнаружила, что расплавленные сплавы железа, содержащие кремний и кислород, образуют две различные жидкости в условиях, аналогичных условиям в ядре Земли.
Верхняя мантия Земли: состав, температура, интересные факты
Мантия Земли — часть геосферы, расположенная между корой и ядром. В ней находится большая доля всего вещества планеты. Изучение мантии важно не только с точки зрения понимания внутренней структуры Земли. Оно может пролить свет на формирование планеты, дать доступ к редким соединениям и породам, помочь понять механизм землетрясений и движения литосферных плит. Однако получить информацию о составе и особенностях мантии непросто. Бурить скважины так глубоко люди пока не умеют. Мантия Земли в основном сейчас изучается при помощи сейсмических волн. А также путем моделирования в условиях лаборатории.
Строение Земли: мантия, ядро и кора
Согласно современным представлениям, внутреннее строение нашей планеты подразделяется на несколько слоев. Верхний — это кора, далее лежат мантия и ядро Земли. Кора — твердая оболочка, делящаяся на океаническую и континентальную. Мантия Земли отделена от нее так называемой границей Мохоровичича (по имени хорватского сейсмолога, установившего ее местоположение), которая характеризуется скачкообразным ростом скоростей продольных сейсмических волн.
Мантия составляет примерно 67 % массы планеты. По современным данным, ее можно разделить на два слоя: верхний и нижний. В первом выделяют также слой Голицына или среднюю мантию, являющуюся переходной зоной от верхней к нижней. В целом мантия простирается на глубине от 30 до 2900 км.
Ядро планеты, по представлению современных ученых, состоит в основном из железоникелевых сплавов. Оно также подразделяется на две части. Внутреннее ядро — твердое, его радиус оценивается в 1300 км. Внешнее — жидкое, имеет радиус в 2200 км. Между этими частями выделяют переходную зону.
Литосфера
Кора и верхняя мантия Земли объединяются понятием «литосфера». Это твердая оболочка, имеющая стабильные и подвижные области. Твердая оболочка планеты состоит из литосферных плит, которые, как предполагается, перемещаются по астеносфере — довольно пластичному слою, вероятно, представляющему собой вязкую и сильно нагретую жидкость. Она является частью верхней мантии. Нужно отметить, что существование астеносферы как непрерывной вязкой оболочки не подтверждается сейсмологическими исследованиями. Изучение структуры планеты позволяет выделить несколько подобных слоев, размещающихся по вертикали. В горизонтальном же направлении астеносфера, видимо, постоянно прерывается.
Способы изучения мантии
Слои, лежащие ниже коры, малодоступны для изучения. Огромная глубина, постоянное увеличение температуры и возрастание плотности являются серьезной проблемой для получения информации о составе мантии и ядра. Однако представить структуру планеты все-таки можно. При изучении мантии главными источниками информации становятся геофизические данные. Скорость распространения сейсмических волн, особенности электропроводности и силы тяжести позволяют ученым делать предположения о составе и других особенностях нижележащих слоев.
Кроме того, некоторую информацию удается получить из магматических горных пород и фрагментов мантийных пород. К числу последних относятся алмазы, которые могут многое рассказать даже о нижней мантии. Встречаются мантийные породы и в земной коре. Их изучение помогает понять состав мантии. Однако они не заменят образцов, добытых непосредственно из глубоких слоев, поскольку в результате различных процессов, протекающих в коре, их состав отличен от мантийного.
Мантия Земли: состав
Еще один источник информации о том, что представляет собой мантия, — метеориты. Согласно современным представлениям, хондриты (самая распространенная на планете группа метеоритов) по составу близки к земной мантии.
Предполагается, что она содержит элементы, которые находились в твердом состоянии или входили в твердое соединение в процессе формирования планеты. К ним относится кремний, железо, магний, кислород и некоторые другие. В мантии они, объединяясь с диоксидом кремния, образуют силикаты. В верхнем слое располагаются силикаты магния, с глубиной растет количество силиката железа. В нижней мантии происходит разложение этих соединений на оксиды (SiO2, MgO, FeO).Особый интерес для ученых представляют породы, не встречающиеся в земной коре. Как предполагается, в мантии таких соединений (гроспидиты, карбонатиты и так далее) немало.
Слои
Остановимся подробнее на протяженности слоев мантии. По представлениям ученых, верхних из них занимает диапазон примерно от 30 до 400 км от земной поверхности. Далее располагается переходная зона, которая уходит вглубь еще на 250 км. Следующий слой — нижний. Его граница располагается на глубине около 2900 км и соприкасается с внешним ядром планеты.
Давление и температура
С продвижением вглубь планеты, повышается температура. Мантия Земли находится под действием крайне высокого давления. В зоне астеносферы действие температуры перевешивает, поэтому здесь вещество находится в так называемом аморфном или полурасплавленном состоянии. Глубже под действием давления оно становится твердым.
Исследования мантии и границы Мохоровичича
Мантия Земли не дает покоя ученым уже достаточно длительное время. В лабораториях над породами, предположительно входящими в состав верхнего и нижнего слоя проводятся эксперименты, позволяющие понять состав и особенности мантии. Так, японскими учеными было установлено, что нижний слой содержит большое количество кремния. В верхней мантии располагаются запасы воды. Она поступает из земной коры, а также проникает отсюда на поверхность.
Особый интерес представляет поверхность Мохоровичича, природа которой до конца непонятна. Сейсмологические исследования предполагают, что на уровне 410 км под поверхностью происходит метаморфическое изменение пород (они становятся более плотными), что проявляется в резком увеличении скорости проведения волн. Предполагается, что базальтовые породы в районе границы Мохоровичича превращаются в эклогит. При этом происходит увеличение плотности мантии примерно на 30 %. Есть и другая версия, согласно которой, причина изменения скорости проведения сейсмических волн кроется в изменении состава пород.
Тикю Хаккэн
В 2005 году в Японии было построено специально оборудованное судно Chikyu. Его миссия — сделать рекордно глубокую скважину на дне Тихого океана. Ученые предполагают взять образцы пород верхней мантии и границы Мохоровичича, чтобы получить ответы на многие вопросы, связанные со строением планеты. Реализация проекта намечена на 2020 год.
Нужно отметить, что ученые не просто так обратили свой взор именно к океаническим недрам. Согласно исследованиям, толщина коры на дне морей значительно меньше, чем на континентах. Разница существенная: под толщей воды в океане до магмы нужно преодолеть в отдельных областях всего 5 км, тогда как на суше эта цифра увеличивается до 30 км.
Сейчас судно уже работает: получены образцы глубоких угольных пластов. Реализация главной цели проекта позволит понять, как устроена мантия Земли, какие вещества и элементы составляют ее переходную зону, а также выяснить нижний предел распространения жизни на планете.
Наше представление о строении Земли пока далеко не полное. Причина тому — сложность проникновения в недра. Однако технический прогресс не стоит на месте. Достижения науки позволяют предположить, что в недалеком будущем мы будем знать о характеристиках мантии гораздо больше.
Почему у Земли жидкое ядро? / Хабр
Уронив ключи в поток расплавленной лавы, попрощайся с ними, потому что, ну, чувак, они – всё.
— Джек Хэнди
Взглянув на нашу родную планету, можно заметить, что 70% её поверхности покрыто водой.
Мы все знаем, отчего это так: потому что океаны Земли всплывают над камнями и грязью, из которых состоит суша. Концепция плавучести, при которой менее плотные объекты всплывают над более плотными, погружающимися ниже, объясняет гораздо больше, чем просто океаны.
Тот же принцип, объясняющий, почему лёд плавает в воде, шар с гелием поднимается в атмосфере, а камни тонут в озере, объясняет, почему слои планеты Земля устроены именно так.
Наименее плотная часть Земли, атмосфера, плавает над водными океанами, которые плавают над земной корой, которая находится над более плотной мантией, которая не тонет в самую плотную часть Земли: в ядро.
В идеале самым стабильным состоянием Земли было бы такое, которое идеально распределялось бы на слои, на манер луковицы, и самые плотные элементы были в центре, а по мере продвижения наружу каждый последующий слой состоял бы из менее плотных элементов. И каждое землетрясение, на самом-то деле, двигает планету по направлению к этому состоянию.
И это объясняет строение не только Земли, но и всех планет, если вспомнить, откуда эти элементы взялись.
Когда Вселенная была молодой – возрастом всего в несколько минут – в ней существовали только водород и гелий. Все более тяжёлые элементы создавались в звёздах, и только когда эти звёзды погибли, тяжёлые элементы вышли во Вселенную, позволяя формироваться новым поколениям звёзд.
Но на этот раз смесь всех этих элементов – не только водорода с гелием, но и углерода, азота, кислорода, кремния, магния, серы, железа и других – формирует не только звезду, но и протопланетный диск вокруг этой звезды.
Давление изнутри наружу в формирующейся звезде выталкивает более лёгкие элементы, а гравитация приводит к тому, что неравномерности в диске коллапсируют и формируют планеты.
В случае Солнечной системы четыре внутренних мира являются самыми плотными из всех планет системы. Меркурий состоит из самых плотных элементов, которые не смогли удержать большое количество водорода и гелия.
Другие планеты, более массивные и более удалённые от Солнца (а следовательно, получающие меньше его излучения), смогли удержать больше этих ультралёгких элементов – так сформировались газовые гиганты.
У всех миров, как и на Земле, в среднем самые плотные элементы сосредоточены в ядре, а лёгкие формируют всё менее плотные слои вокруг него.
Неудивительно, что железо, самый стабильный элемент, и самый тяжёлый элемент, создаваемый в больших количествах на границе сверхновых, и есть самый распространённый элемент земного ядра. Но возможно, удивительным будет то, что между твёрдым ядром и твёрдой мантией находится жидкий слой толщиной более 2000 км: внешнее ядро Земли.
У Земли есть толстый жидкий слой, содержащий 30% массы планеты! А узнали мы о его существовании довольно остроумным методом — благодаря сейсмическим волнам, происходящим от землетрясений!
В землетрясениях рождаются сейсмические волны двух типов: основная компрессионная, известная, как Р-волна, проходящая продольным путём
и вторая сдвиговая волна, известная, как S-волна, похожая на волны на поверхности моря.
Сейсмические станции по всему миру способны улавливать Р- и S-волны, но S-волны не проходят через жидкость, а Р-волны не только проходят через жидкость, но и преломляются!
В результате можно понять, что у Земли есть жидкое внешнее ядро, вне которого находится твёрдая мантия, а внутри – твёрдое внутреннее ядро! Вот поэтому в ядре Земли содержатся самые тяжёлые и плотные элементы, и так мы знаем, что внешнее ядро – это жидкий слой.
Но почему внешнее ядро жидкое? Как и все элементы, состояние железа, твёрдое, жидкое, газообразное, или другое, зависит от давления и температуры железа.
Железо – элемент более сложный, чем многие привычные вам. Конечно, у него могут быть разные кристаллические твёрдые фазы, как указано на графике, но нас не интересуют обычные давления. Мы спускаемся к ядру земли, где давления в миллион раз превышают давление на уровне моря. А как выглядит фазовая диаграмма для таких высоких давлений?
Прелесть науки в том, что даже если у вас сразу нет ответа на вопрос, есть вероятность, что кто-то уже делал нужное исследование, в котором можно найти ответ! В этом случае, Аренс, Коллинз и Чен в 2001 году нашли ответ на наш вопрос.
И хотя на диаграмме показаны гигантские давления до 120 ГПа, важно помнить, что давление атмосферы составляет всего лишь 0.0001 ГПа, в то время как во внутреннем ядре давления достигают 330-360 ГПа. Верхняя сплошная линия показывает границу между плавящимся железом (вверху) и твёрдым (внизу). Вы обратили внимание, как сплошная линия в самом конце совершает крутой поворот вверх?
Для того, чтобы железо плавилось при давлении 330 ГПа, требуется огромная температура, сравнимая с той, что преобладает на поверхности Солнца. Эти же температуры при меньших давлениях легко будут поддерживать железо в жидком состоянии, а при более высоких – в твёрдом. Что это означает с точки зрения ядра Земли?
Это означает, что с охлаждением Земли падает её внутренняя температура, а давление остаётся неизменным. То есть, при формировании Земли, скорее всего, жидкой было всё ядро, и по мере охлаждения внутреннее ядро растёт! И в процессе этого, поскольку у твёрдого железа плотность выше, чем у жидкого, Земля потихоньку сжимается, что приводит к землетрясениям!
Так что, ядро Земли жидкое, поскольку оно достаточно горячее, чтобы расплавить железо, но только в регионах с достаточно низким давлением. По мере старения и охлаждения Земли всё большая часть ядра становится твёрдой, и поэтому Земля немного сжимается!
Если мы захотим заглянуть далеко в будущее, мы можем ожидать появления таких же свойств, какие наблюдаются у Меркурия.
Меркурий благодаря малому размеру уже значительно охладился и сжался, и обладает разломами длиной в сотни километров, появившимися из-за необходимости сжатия благодаря охлаждению.
Так почему у Земли жидкое ядро? Потому, что она ещё не охладилась. И каждое землетрясение – это небольшое приближение Земли к конечному, остывшему и насквозь твёрдому состоянию. Но не волнуйтесь, задолго до этого момента взорвётся Солнце, и все, кого вы знаете, будут уже очень давно мертвы.
мантия | Национальное географическое общество
Мантия — это в основном твердая масса недр Земли. Мантия находится между плотным перегретым ядром Земли и ее тонким внешним слоем, корой. Толщина мантии составляет около 2900 километров (1802 мили), и она составляет целых 84% от общего объема Земли. Когда Земля начала формироваться около 4,5 миллиардов лет назад, железо и никель быстро отделились от других горных пород и минералов, образуя ядро новой планеты. Расплавленный материал, окружавший ядро, был ранней мантией. За миллионы лет мантия остыла. Вода, заключенная в минералах, извергалась лавой — процесс, называемый «дегазациями». По мере того, как выделялось все больше воды, мантия затвердевала. Породы, составляющие мантию Земли, в основном состоят из силикатов — самых разных соединений, имеющих общую структуру кремния и кислорода. Обычные силикаты, обнаруженные в мантии, включают оливин, гранат и пироксен. Другой важный тип породы, обнаруженный в мантии, — это оксид магния.Другие элементы мантии включают железо, алюминий, кальций, натрий и калий. Температура мантии сильно варьируется: от 1000 ° по Цельсию (1832 ° по Фаренгейту) на границе с земной корой до 3700 ° по Цельсию (6692 ° по Фаренгейту) на границе с ядром. В мантии тепло и давление обычно увеличиваются с глубиной. Геотермический градиент является мерой этого увеличения. В большинстве мест геотермальный градиент составляет около 25 ° по Цельсию на километр глубины (1 ° по Фаренгейту на 70 футов глубины). Вязкость мантии также сильно варьируется. Это в основном твердая порода, но менее вязкая на границах тектонических плит и мантийных плюмах. Породы мантии здесь мягкие и способны пластически перемещаться (в течение миллионов лет) на большой глубине и под давлением. Мантия разделена на несколько слоев: верхняя мантия, переходная зона, нижняя мантия и D ”(двойное начертание D), странная область, где мантия встречается с внешним ядром.Верхняя мантия
Две части верхней мантии часто распознаются как отдельные области внутри Земли: литосфера и астеносфера.Литосфера
Литосфера — это твердая внешняя часть Земли, простирающаяся на глубину около 100 километров (62 мили). Литосфера включает как кору, так и хрупкую верхнюю часть мантии.Литосфера — самый холодный и самый жесткий из слоев Земли. Самая известная особенность литосферы Земли — это тектоническая активность. Тектоническая активность описывает взаимодействие огромных плит литосферы, называемых тектоническими плитами. Литосфера разделена на 15 основных тектонических плит: Североамериканская, Карибская, Южная Америка, Шотландия, Антарктическая, Евразийская, Арабская, Африканская, Индийская, Филиппинская, Австралийская, Тихоокеанская, Хуан-де-Фука, Кокос и Наска. Разделение литосферы между корой и мантией называется разрывом Мохоровича или просто Мохо. Мохо не существует на одинаковой глубине, потому что не все регионы Земли одинаково сбалансированы в изостатическом равновесии. Изостази описывает физические, химические и механические различия, которые позволяют коре «плавать» на иногда более податливой мантии. Мохо находится примерно в 8 километрах (5 милях) под океаном и примерно в 32 километрах (20 милях) под континентами. Разные типы пород различают литосферную кору и мантию. Для литосферной коры характерны гнейсы (континентальная кора) и габбро (океаническая кора). Ниже Мохо мантия характеризуется перидотитом, горной породой, в основном состоящей из минералов оливина и пироксена.Астеносфера
Астеносфера — более плотный и слабый слой под литосферной мантией. Он находится на глубине от 100 километров (62 миль) до 410 километров (255 миль) под поверхностью Земли.Температура и давление в астеносфере настолько высоки, что горные породы размягчаются и частично плавятся, становясь полурасплавленными. Астеносфера намного пластичнее, чем литосфера или нижняя мантия. Пластичность измеряет способность твердого материала деформироваться или растягиваться под действием напряжения. Астеносфера обычно более вязкая, чем литосфера, а граница литосферы и астеносферы (LAB) — это точка, где геологи и реологи — ученые, изучающие поток вещества, — отмечают разницу в пластичности между двумя слоями верхней мантии. Очень медленное движение литосферных плит, «плавающих» в астеносфере, является причиной тектоники плит, процесса, связанного с дрейфом континентов, землетрясениями, образованием гор и вулканов. Фактически, лава, извергающаяся из вулканических трещин, на самом деле является самой астеносферой, расплавленной в магму.Конечно, тектонические плиты на самом деле не плавают, потому что астеносфера не жидкая. Тектонические плиты нестабильны только на своих границах и в горячих точках.
Переходная зона
На глубине от 410 километров (255 миль) до 660 километров (410 миль) под поверхностью Земли горные породы претерпевают радикальные преобразования. Это переходная зона мантии. В переходной зоне породы не плавятся и не разрушаются. Вместо этого их кристаллическая структура изменяется во многом. Скалы становятся намного плотнее. Переходная зона предотвращает большие обмены материалом между верхней и нижней мантией.Некоторые геологи считают, что повышенная плотность горных пород в переходной зоне препятствует дальнейшему падению субдуцированных плит из литосферы в мантию. Эти огромные куски тектонических плит застревают в переходной зоне в течение миллионов лет, прежде чем смешаться с другими породами мантии и в конечном итоге вернуться в верхнюю мантию как часть астеносферы, извергнувшись в виде лавы, стать частью литосферы или появиться в виде новой океанической коры. на участках распространения морского дна. Однако некоторые геологи и реологи считают, что субдуцированные плиты могут проскользнуть под переходную зону в нижнюю мантию.Другие данные свидетельствуют о том, что переходный слой проницаем, а верхняя и нижняя мантия обмениваются некоторым количеством материала.Вода
Возможно, наиболее важным аспектом переходной зоны мантии является обилие воды. Кристаллы в переходной зоне содержат столько же воды, сколько и все океаны на поверхности Земли. Вода в переходной зоне — это не «вода», как мы ее знаем. Это не жидкость, пар, твердое тело или даже плазма.Вместо этого вода существует в виде гидроксида. Гидроксид — это ион водорода и кислорода с отрицательным зарядом. В переходной зоне ионы гидроксида захватываются кристаллической структурой горных пород, таких как рингвудит и вадслеит. Эти минералы образуются из оливина при очень высоких температурах и давлении. Вблизи дна переходной зоны при повышении температуры и давления рингвудит и вадслеит трансформируются. Их кристаллические структуры разрушены, и гидроксид улетучивается в виде «расплава».«Расплавленные частицы текут вверх, к минералам, которые могут удерживать воду. Это позволяет переходной зоне поддерживать постоянный резервуар воды. Геологи и реологи считают, что вода попала в мантию с поверхности Земли во время субдукции. Субдукция — это процесс, при котором плотная тектоническая плита скользит или тает под более плавучей. Большая часть субдукции происходит, когда океаническая плита скользит под менее плотной плитой. Наряду с горными породами и минералами литосферы в мантию переносятся также тонны воды и углерода.Гидроксид и вода возвращаются в верхнюю мантию, кору и даже атмосферу через мантийную конвекцию, извержения вулканов и распространение морского дна.Нижняя мантия
Нижняя мантия простирается от примерно 660 километров (410 миль) до примерно 2700 километров (1678 миль) под поверхностью Земли. Нижняя мантия более горячая и плотная, чем верхняя мантия и переходная зона. Нижняя мантия гораздо менее пластична, чем верхняя мантия и переходная зона.Хотя тепло обычно соответствует размягчению горных пород, сильное давление удерживает нижнюю мантию в твердом состоянии.Геологи расходятся во мнениях относительно строения нижней мантии. Некоторые геологи считают, что здесь обосновались субдуцированные плиты литосферы. Другие геологи считают, что нижняя мантия совершенно неподвижна и даже не передает тепло путем конвекции.
D Двойной премьер (D ’’)
Под нижней мантией находится неглубокая область, называемая D », или «d с двойным штрихом».«В некоторых областях D’ ’представляет собой почти тонкую как бритву границу с внешним ядром. В других областях D ’’ имеет мощные скопления железа и силикатов. В других областях геологи и сейсмологи обнаружили области огромного таяния. На непредсказуемое движение материалов в D ’’ влияет нижняя мантия и внешнее ядро. Железо внешнего ядра влияет на формирование диапира, геологического объекта в форме купола (вулканическая интрузия), где больше жидкого материала вытесняется в хрупкую вышележащую породу.Железный диапир излучает тепло и может испускать огромный выпуклый импульс материала или энергии — точно так же, как лавовая лампа. Эта энергия распространяется вверх, передавая тепло нижней мантии и переходной зоне, и, возможно, даже извергается в виде мантийного плюма. У основания мантии, примерно на 2900 километров (1802 мили) ниже поверхности, находится граница ядра и мантии, или CMB. Эта точка, называемая разрывом Гутенберга, отмечает конец мантии и начало жидкого внешнего ядра Земли.Мантийная конвекция
Мантийная конвекция описывает движение мантии, когда она передает тепло от раскаленного добела ядра к хрупкой литосфере. Мантия нагревается снизу, охлаждается сверху, и ее общая температура снижается с течением времени. Все эти элементы способствуют конвекции мантии. Конвекционные токи переносят горячую плавучую магму в литосферу на границах плит и в горячих точках.Конвекционные токи также переносят более плотный и холодный материал из коры в недра Земли в процессе субдукции. Геологи спорят, является ли мантийная конвекция «цельной» или «слоистой». Конвекция всей мантии описывает длительный, длительный процесс рециркуляции с участием верхней мантии, переходной зоны, нижней мантии и даже D ’’. В этой модели мантия конвектирует за один процесс. Субдуцированная плита литосферы может медленно проскользнуть в верхнюю мантию и упасть в переходную зону из-за своей относительной плотности и прохлады.Через миллионы лет он может погрузиться в нижнюю мантию. Тогда конвекционные токи могут переносить горячий плавучий материал в D ’’ обратно через другие слои мантии. Некоторые из этого материала могут даже снова появиться в виде литосферы, поскольку они попадают на кору в результате извержений вулканов или распространения морского дна. Слоистая мантийная конвекция описывает два процесса. Шлейфы перегретого материала мантии могут пузыриться из нижней мантии и нагреть область в переходной зоне, прежде чем упасть обратно.Выше переходной зоны на конвекцию может влиять тепло, передаваемое из нижней мантии, а также дискретные конвекционные потоки в верхней мантии, вызванные субдукцией и расширением морского дна. Мантийные плюмы, исходящие из верхней мантии, могут хлестать через литосферу в виде горячих точек.Перья мантии
Мантийный шлейф — это подъем перегретой породы из мантии. Мантийные плюмы — вероятная причина возникновения «горячих точек», вулканических регионов, не созданных тектоникой плит.Когда мантийный плюм достигает верхней мантии, он тает в диапир. Этот расплавленный материал нагревает астеносферу и литосферу, вызывая извержения вулканов. Эти извержения вулканов вносят незначительный вклад в потерю тепла из недр Земли, хотя тектоническая активность на границах плит является основной причиной таких потерь тепла.Гавайская горячая точка в центре северной части Тихого океана находится над вероятным мантийным шлейфом. Поскольку Тихоокеанская плита движется в основном в северо-западном направлении, горячая точка Гавайев остается относительно неизменной.Геологи считают, что это позволило гавайской горячей точке образовать серию вулканов, от подводной горы Мэйдзи возрастом 85 миллионов лет у российского полуострова Камчатка до подводной горы Лойхи, подводного вулкана к юго-востоку от «Большого острова» на Гавайях. Лоихи, которому всего 400 000 лет, в конечном итоге станет новейшим гавайским островом.
Геологи выделили два так называемых «суперплюма». Эти суперплюзы или большие области с низкой скоростью сдвига (LLSVP) берут свое начало в материале расплава D ’’.Тихоокеанский LLSVP влияет на геологию большей части южной части Тихого океана (включая горячую точку Гавайев). Африканский LLSVP влияет на геологию большей части южной и западной Африки.Геологи считают, что на мантийные плюмы могут влиять множество различных факторов. Некоторые из них могут пульсировать, а другие могут постоянно нагреваться. У некоторых может быть один диапир, у других — несколько «стеблей». Некоторые мантийные плюмы могут возникать в середине тектонической плиты, в то время как другие могут быть «захвачены» зонами спрединга на морском дне.
Некоторые геологи идентифицировали более тысячи мантийных плюмов. Некоторые геологи считают, что мантийных плюмов вообще не существует. Пока инструменты и технологии не позволят геологам более тщательно изучить мантию, споры будут продолжаться.Изучение мантии
Мантия никогда непосредственно не исследовалась. Даже самое сложное буровое оборудование не вышло за пределы земной коры.Бурение вплоть до Мохо (раздела земной коры и мантии) является важной научной вехой, но, несмотря на десятилетия усилий, никому еще не удалось добиться успеха.В 2005 году ученые из проекта Integrated Ocean Drilling Project пробурили 1416 метров (4644 футов) ниже морского дна Северной Атлантики и заявили, что они подошли к Мохо всего на 305 метров (1000 футов).
Ксенолиты
Многие геологи изучают мантию, анализируя ксенолиты. Ксенолиты — это разновидность вторжений — скала, застрявшая внутри другой скалы. Ксенолиты, которые предоставляют наибольшую информацию о мантии, — это алмазы.Алмазы образуются в очень уникальных условиях: в верхней мантии, по крайней мере, на 150 километров (93 мили) под поверхностью. Выше глубины и давления углерод кристаллизуется как графит, а не алмаз. Алмазы поднимаются на поверхность во время взрывных извержений вулканов, образуя «алмазные трубки» из горных пород, называемых кимберлитами и лампролитами.Сами по себе алмазы представляют меньший интерес для геологов, чем ксенолиты, содержащиеся в некоторых. Эти интрузии представляют собой минералы из мантии, заключенные внутри твердого алмаза.Интрузия алмазов позволила ученым заглянуть на глубину 700 километров (435 миль) под поверхностью Земли — нижнюю мантию.
Исследования ксенолитов показали, что породы в глубокой мантии, скорее всего, представляют собой плиты субдуцированного морского дна возрастом 3 миллиарда лет. Алмазные интрузии включают воду, океанические отложения и даже углерод.Сейсмические волны
Большинство исследований мантии проводится путем измерения распространения ударных волн от землетрясений, называемых сейсмическими волнами.Сейсмические волны, измеренные в исследованиях мантии, называются объемными волнами, потому что эти волны проходят через тело Земли. Скорость объемных волн зависит от плотности, температуры и типа породы. Есть два типа объемных волн: первичные волны, или P-волны, и вторичные волны, или S-волны. P-волны, также называемые волнами давления, образуются в результате сжатия. Звуковые волны представляют собой P-волны — сейсмические P-волны имеют слишком низкую частоту, чтобы люди могли их услышать. S-волны, также называемые поперечными волнами, измеряют движение, перпендикулярное передаче энергии.S-волны не могут передаваться через жидкости или газы. Инструменты, размещенные по всему миру, измеряют эти волны, когда они прибывают в разные точки на поверхности Земли после землетрясения. Зубцы P (первичные волны) обычно появляются первыми, а s-волны появляются вскоре после этого. Обе объемные волны по-разному «отражаются» от разных типов камней. Это позволяет сейсмологам идентифицировать различные породы, присутствующие в земной коре и мантии глубоко под поверхностью. Сейсмические отражения, например, используются для выявления скрытых залежей нефти глубоко под поверхностью.Внезапные предсказуемые изменения скорости объемных волн называются «сейсмическими неоднородностями». Мохо — это разрыв, отмечающий границу коры и верхней мантии. Так называемый «410-километровый разрыв» отмечает границу переходной зоны.
Разрыв Гутенберга более известен как граница ядро-мантия (CMB). На CMB S-волны, которые не могут продолжаться в жидкости, внезапно исчезают, а P-волны сильно преломляются или изгибаются.Это предупреждает сейсмологов о том, что твердая и расплавленная структура мантии уступила место огненной жидкости внешнего ядра.Карты мантии
Передовые технологии позволили современным геологам и сейсмологам создавать карты мантии. Большинство карт мантии отображают сейсмические скорости, показывая структуры глубоко под поверхностью Земли.
Геофизики надеются, что сложные карты мантии могут отобразить объемные волны до 6000 землетрясений с магнитудой не менее 5.5. Эти карты мантии могут помочь идентифицировать древние плиты субдуцированного материала, а также точное положение и движение тектонических плит. Многие геологи считают, что карты мантии могут даже предоставить доказательства наличия мантийных плюмов и их структуры.Как мантия Земли похожа на картину Джексона Поллока — ScienceDaily
В бесчисленных учебниках естественных наук для начальной школы мантия Земли представляет собой градиент от желтого к оранжевому, нечетко очерченный слой между корой и ядром.
Для геологов мантия — это нечто большее.Это регион, который живет где-то между холодом коры и ярким жаром ядра. Здесь рождается дно океана и умирают тектонические плиты.
Новая статья, опубликованная сегодня в журнале Nature Geoscience , рисует еще более сложную картину мантии как геохимически разнообразной мозаики, сильно отличающейся от относительно однородных лав, которые в конечном итоге достигают поверхности. Что еще более важно, копия этой мозаики спрятана глубоко в коре. Исследование проводится под руководством Сары Ламбарт, доцента геологии Университета Юты, и финансируется исследовательской и инновационной программой Европейского Союза Horizon 2020 и Национальным научным фондом.
«Если вы посмотрите на картину Джексона Поллока, вы увидите много разных цветов», — говорит Ламбарт. «Эти цвета представляют различные компоненты мантии, а линии представляют собой магмы, произведенные этими компонентами и перенесенные на поверхность. Посмотрите на желтую линию, она не будет сильно смешиваться с красным или черным».
Примитивные полезные ископаемые
Наш лучший доступ к мантии — это лава, которая извергается на срединных океанских хребтах. Эти хребты находятся в середине дна океана и образуют новую океаническую кору.Образцы этой лавы показывают, что химически она практически одинакова в любой точке планеты.
Но это расходится с тем, что происходит на другом конце жизненного цикла корки. Старая океаническая кора распространяется прочь от срединно-океанических хребтов, пока не выталкивается под континент и не погружается обратно в мантию. Что происходит после этого, несколько неясно, но если и мантия, и старая кора расплавятся, химический состав магм должен измениться.
Итак, Ламбарт и ее коллеги из Уэльса и Нидерландов попытались выяснить, как выглядит мантия до того, как она поднимется в виде лавы на хребет посреди океана.Они исследовали керны, пробуренные в коре океана, чтобы посмотреть на кумулированные минералы: первые минералы, кристаллизующиеся, когда магмы входят в кору.
«Мы изучили самую примитивную часть этих минералов», — говорит Ламбарт, добавляя, что, обнаружив эти примитивные минералы, они проанализировали только химический состав тех самых первых минералов, которые образовались. «Если вы на самом деле не смотрите на самую примитивную часть, вы можете потерять сигнал этого первого расплава, который был доставлен к коре.В этом оригинальность нашей работы ».
Они проанализировали образцы сантиметр за сантиметром, чтобы посмотреть на вариации в изотопах неодима и стронция, которые могут указывать на различный химический состав материала мантии, происходящего из разных типов горных пород. «Если у вас есть изотопная изменчивость в ваших кумулятах, это означает, что у вас также должна быть изотопная изменчивость в мантии», — говорит Ламбарт.
Когда блендер включается
Это именно то, что нашла команда.Величина изотопной изменчивости в кумулатах была в семь раз больше, чем в лавах срединно-океанических хребтов. Это означает, что мантия далеко не перемешана и эта изменчивость сохраняется в кумулатах.
Вероятная причина, по словам Ламбарта, в том, что разные породы плавятся при разных температурах. Первая расплавленная порода, например старая кора, может создавать каналы, по которым магма может подниматься к коре. То же самое можно сделать и с плавлением других пород.Конечным результатом является несколько сетей каналов, которые сходятся к срединно-океаническому хребту, но не смешиваются друг с другом, что напоминает полосы краски на картине Джексона Поллока.
Чтобы понять, что это открытие означает для геологии, представьте себе смузи. Нет — вернитесь еще дальше и представьте графин блендера, полный фруктов, льда, молока и других ингредиентов. Это как мантия — отдельные ингредиенты, столь же отличные друг от друга, как клубника от черники. Полностью смешанный смузи подобен лаве срединно-океанического хребта.Это полностью перемешано. В какой-то момент между глубокой мантией и срединно-океаническим хребтом Земля включает блендер. Ламбарт говорит, что ее результаты показывают, что на самой вершине мантии смешение еще не произошло. Оказывается, блендер не включается до тех пор, пока не появится корочка.
Работа Ламбарта помогает ей и другим геологам пересмотреть свое представление о том, как материал перемещается через мантию на поверхность.
«Проблема в том, что нам нужно найти способ моделировать геодинамическую землю, включая тектонику плит, чтобы фактически воспроизвести то, что записано в горных породах сегодня», — говорит она.«Пока эта ссылка отсутствует».
Сейчас Ламбарт создает новую экспериментальную петрологическую лабораторию для изучения условий, при которых магмы сохраняют свой химический состав во время их путешествия через мантию и кору.
Мантия Земли: что происходит глубоко у нас под ногами?
Мы знаем, что земля, по которой мы ходим, сделана из твердой породы (если только мы не забредем на участок зыбучих песков…). Но как насчет слоев Земли немного глубже под нашими ногами?
Земля состоит из нескольких слоев.Поверхность планеты, на которой мы живем, называется корой — на самом деле это очень тонкий слой, глубина которого составляет всего 70 километров в самом толстом месте. Кора и литосфера внизу (кора плюс верхняя мантия) состоят из нескольких «тектонических плит». Они медленно перемещаются по поверхности планеты, и большинство вулканов и землетрясений Земли происходят на границах между тектоническими плитами.
Глубоко в центре планеты находится «внутреннее ядро», которое, как мы думаем, состоит из твердого железа и никеля.Он окружен «внешним ядром», которое также сделано из железа и никеля, но расплавлено. Конвекционные токи во внешнем ядре создают магнитное поле Земли.
Между внешним ядром и корой находится мантия, толщина которой составляет около 2900 километров, что составляет основную часть (около 84 процентов по объему) планеты. Перенося внутреннее тепло Земли на поверхность, конвекционная мантия ползет, как смола в жаркий день. Это переворачивание является «двигателем», который приводит в движение нашу динамическую Землю — это то, что делает геологию нашей планеты такой интересной, поскольку позволяет перемещаться тектоническим плитам.Без этого у нас не было бы вулканов, землетрясений … и вообще, Земля не могла бы поддерживать жизнь.
Земная кора состоит из нескольких тектонических плит, которые медленно перемещаются по поверхности Земли. Большая часть — но не вся! — тектоническая активность, включая вулканы, происходит там, где встречаются эти плиты. Тектонические плиты «плавают» на «текущем» слое мантии. Изображение адаптировано из: Цифровая карта тектонической активности Земли, НАСА, 1998 годТайны динамики мантии — вот что тратит свое время на изучение лауреата медали Антона Хейлса Австралийской академии наук 2018 года доктора Родри Дэвиса.
Он использует передовые вычислительные инструменты для разработки моделей динамики мантии, помогая нам понять поведение мантии и то, как она влияет на поверхность Земли. Эти модели объединяют крупномасштабные геофизические и геохимические наборы данных со знаниями о том, как отдельные минералы ведут себя в определенных условиях температуры и давления, чтобы пролить свет на структуру мантии, обеспечить ограничения на то, как мантийные течения, и продемонстрировать, как этот поток вызывает вулканизм и другие особенности в поверхность.
Мы знаем, что большинство вулканов Земли расположены на границах тектонических плит, где плиты:
- разойтись, как сейчас происходит между Австралией и Антарктидой
- движутся навстречу друг другу, причем один из них скользит обратно в нижележащую мантию, как на северном краю тектонической плиты Австралии под Папуа-Новой Гвинеей и Индонезией
- проезжают мимо друг друга, что происходит на печально известном разломе Сан-Андреас в Калифорнии.
Однако некоторые вулканы расположены внутри тектонических плит, вдали от этих пограничных процессов.Их называют внутриплитными вулканами. Многие из них вызваны мантийными шлейфами — областями горячих горных пород, которые текут вверх от границы земного ядра и мантии к ее поверхности. При этом они несут расплавленный каменный материал, содержащий послание из глубин мантии Земли; сообщение, которое работа доктора Дэвиса позволяет нам расшифровать. Это помогло укрепить теории о процессах, которые создают внутриплитные цепи вулканических островов.
Горячие мантийные плюмы — это области горячих горных пород, которые текут вверх от границы ядра и мантии глубоко внутри Земли. Изображение адаптировано из: Родри Дэвис, с разрешения.Например, он объединил наблюдения с нескольких полей, чтобы показать, что вулканические цепи в Австралии сформировались, когда австралийская тектоническая плита дрейфовала на север через несколько мантийных плюмов. Это привело к появлению череды вулканов, пересекающих континент с севера на юг, образовавшихся между 34 и 9 миллионами лет назад. Вы не поверите, но на нынешнем тектонически сонном австралийском континенте находится один из самых обширных внутриплитных вулканических регионов в мире, извержения которого произошли на материке совсем недавно, около 5000 лет назад.
Активность мантии подпитывала цепочку вулканов, простирающуюся с севера на юго-восток Австралии. Изображение адаптировано из: Родри Дэвис, с разрешения.Считается, что Гавайский архипелаг образовался аналогичным образом. Гавайи расположены на юго-восточной границе цепи вулканов и подводных гор, которые постепенно стареют к северо-западу. Эта цепь разделяется на две части на острове Оаху и Дэвис, и его группа недавно обнаружила, что это разделение произошло из-за сдвига направления Тихоокеанской плиты примерно три миллиона лет назад.
Горы Глассхаус в Квинсленде были сформированы внутриплитной вулканической активностью. Изображение адаптировано из: Rhodri Davies, с разрешенияВключение всех этих факторов для создания моделей поведения мантии улучшает наше понимание того, как работает наша планета. Это помогает нам объяснить процессы, которые приводят к уникальной и захватывающей геологии Земли, и позволяет нам лучше понять эволюцию планеты с момента ее образования более 4,5 миллиардов лет назад.
Эту статью рецензировали следующие эксперты: Доктор Родри Дэвис, Исследовательская школа наук о Земле, Австралийский национальный университет; Профессор Малькольм Сэмбридж FAA Исследовательская школа наук о Земле, Австралийский национальный университет
Explainer: Земля — слой за слоем
алюминий Металлический элемент, третий по содержанию в земной коре. Он легкий и мягкий, и используется во многих изделиях, от велосипедов до космических кораблей.
поведение То, как что-то, часто человек или другой организм, действует по отношению к другим или ведет себя.
континент (по геологии) Огромные массивы суши, расположенные на тектонических плитах. В наше время существует шесть установленных геологических континентов: Северная Америка, Южная Америка, Евразия, Африка, Австралия и Антарктида. В 2017 году ученые выдвинули еще один аргумент: Зеландию.
конвекция Подъем и опускание материала в жидкости или газе из-за неравномерной температуры.Этот процесс происходит во внешних слоях некоторых звезд.
core Что-то — обычно круглой формы — в центре объекта. (в геологии) Самый внутренний слой Земли. Или длинный трубчатый образец, пробуренный во льду, почве или скале. Керны позволяют ученым исследовать слои отложений, растворенных химикатов, горных пород и окаменелостей, чтобы увидеть, как окружающая среда в одном месте изменилась в течение сотен и тысяч лет и более.
кора (в геологии) Внешняя поверхность Земли, обычно сделанная из плотной твердой породы.
кристалл (прил. Кристаллический) Твердое тело, состоящее из симметричного, упорядоченного, трехмерного расположения атомов или молекул. Это организованная структура, присущая большинству минералов. Например, апатит образует шестигранные кристаллы. Минеральные кристаллы, из которых состоят камни, обычно слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
ток Жидкость, например вода или воздух, которая движется в узнаваемом направлении. (в электричестве) Поток электричества или количество заряда, проходящего через какой-либо материал за определенный период времени.
распад (для радиоактивных материалов) Процесс, при котором радиоактивный изотоп — что означает физически нестабильную форму некоторого элемента — выделяет энергию и субатомные частицы. Со временем это осыпание превратит нестабильный элемент в немного другой, но стабильный элемент. Например, уран-238 (который является радиоактивным или нестабильным изотопом) распадается на радий-222 (также радиоактивный изотоп), который распадается на радон-222 (также радиоактивный), который распадается на полоний-210 (также радиоактивный). , который распадается на свинец-206, который стабилен.Дальнейшего распада не происходит. Скорость распада от одного изотопа к другому может варьироваться от временных рамок менее секунды до миллиардов лет.
плотность Мера плотности некоторого объекта, определяемая делением его массы на его объем.
алмаз Одно из самых твердых веществ и самых редких драгоценных камней на Земле. Алмазы образуются глубоко внутри планеты, когда углерод сжимается под невероятно сильным давлением.
землетрясение Внезапное и иногда сильное сотрясение земли, иногда вызывающее сильные разрушения, в результате движений земной коры или вулканической активности.
Земная кора Самый внешний слой Земли. Он относительно холодный и хрупкий.
element Строительный блок более крупной конструкции. (по химии) Каждое из более чем ста веществ, для которых наименьшей единицей является отдельный атом. Примеры включают водород, кислород, углерод, литий и уран.
поле Область исследования, например: Ее областью исследований была биология . Также термин для описания реальной среды, в которой проводятся некоторые исследования, например, в море, в лесу, на вершине горы или на городской улице.Это противоположность искусственной обстановке, такой как исследовательская лаборатория. (в физике) Область в космосе, где действуют определенные физические эффекты, такие как магнетизм (созданный магнитным полем), гравитация (гравитационным полем), масса (поле Хиггса) или электричество (электрическое поле).
железо Металлический элемент, который часто встречается в минералах земной коры и в ее горячем ядре. Этот металл также содержится в космической пыли и во многих метеоритах.
Исаак Ньютон Этот английский физик и математик получил наибольшую известность благодаря описанию своего закона всемирного тяготения.Родившись в 1642 году, он превратился в ученого с самыми разными интересами. Среди его открытий: белый свет состоит из комбинации всех цветов радуги, которые можно снова разделить на части с помощью призмы; математика, описывающая орбитальные движения вещей вокруг центра силы; что скорость звуковых волн можно рассчитать по плотности воздуха; ранние элементы математики, ныне известные как исчисление; и объяснение того, почему вещи «падают»: гравитационное притяжение одного объекта к другому, которое будет пропорционально массе каждого.Ньютон умер в 1727 году.
литосфера Верхний слой Земли, включающий ее тонкую хрупкую кору и верхнюю мантию. Литосфера относительно жесткая и разбита на медленно движущиеся тектонические плиты.
магний Металлический элемент под номером 12 в периодической таблице. Он горит белым светом и является восьмым по содержанию элементом в земной коре.
магнитное поле Зона влияния, создаваемая некоторыми материалами, называемыми магнитами, или движением электрических зарядов.
мантия (в геологии) Толстый слой Земли под ее внешней корой. Мантия полутвердая и обычно делится на верхнюю и нижнюю.
металл Что-то, что хорошо проводит электричество, имеет тенденцию быть блестящим (отражающим) и податливым (это означает, что его можно изменить с помощью тепла, а не слишком большого усилия или давления).
луна Естественный спутник любой планеты.
никель Номер 28 в периодической таблице элементов, этот твердый серебристый элемент устойчив к окислению и коррозии.Это делает его хорошим покрытием для многих других элементов или для использования в сплавах с несколькими металлами.
кислород Газ, составляющий около 21 процента атмосферы Земли. Все животные и многие микроорганизмы нуждаются в кислороде для своего роста (и обмена веществ).
давление Сила, равномерно приложенная к поверхности, измеряется как сила на единицу площади.
радиоактивный распад Процесс, при котором элемент превращается в более легкий элемент за счет выделения субатомных частиц (и энергии).
радиус Прямая линия от центра до окружности круга или сферы.
диапазон Полный объем или распространение чего-либо. Например, ареал растения или животного — это территория, на которой они существуют в природе.
полу Прилагательное, означающее «несколько».
панцирь Защитное твердое внешнее покрытие моллюсков или ракообразных, таких как мидии или крабы.
кремнезем Минерал, также известный как диоксид кремния, содержащий атомы кремния и кислорода.Это основной строительный блок из большей части скального материала на Земле и некоторых строительных материалов, включая стекло.
кремний Неметаллический полупроводниковый элемент, используемый при создании электронных схем. Чистый кремний существует в блестящей темно-серой кристаллической форме и в виде бесформенного порошка.
слайд В микроскопии — кусок стекла, на который что-то будет прикреплено для просмотра под увеличительной линзой устройства.
твердый Прочный и стабильный по форме; не жидкий и не газообразный.
солнце Звезда в центре солнечной системы Земли. Это звезда среднего размера примерно в 26 000 световых лет от центра галактики Млечный Путь. Также термин для обозначения любой солнечной звезды.
тектонические плиты Гигантские плиты — некоторые простираются на тысячи километров (или миль) в поперечнике — которые составляют внешний слой Земли.
торий Естественный радиоактивный элемент, который в чистом виде выглядит как серебристый металл. Он химически реагирует с воздухом, чернея на его поверхности.Он содержится в некоторых минералах и может использоваться для отслеживания источника некоторых минеральных зерен, которые переносятся на большие расстояния водой или ветром. Его научный символ — Th.
турбулентный (сущ. Турбулентность) Прилагательное для непредсказуемого колебания жидкости (включая воздух), в которой ее скорость изменяется нерегулярно вместо поддержания постоянного или спокойного потока.
уран Самый тяжелый из известных природных элементов. Он называется элементом 92, что означает количество протонов в его ядре.Атомы урана радиоактивны, что означает, что они распадаются на разные атомные ядра.
wave Возмущение или изменение, которое регулярно колеблется в пространстве и материи.
Земные недра | National Geographic
Внутри Земли
Внутренняя часть Земли состоит из четырех слоев, трех твердых и одного жидкого — не магмы, а расплавленного металла, почти такого же горячего, как поверхность Солнца.
Самый глубокий слой представляет собой твердый железный шар диаметром около 1 500 миль (2400 км).Хотя внутреннее ядро раскалено добела, давление настолько высокое, что железо не может расплавиться.
Железо не чистое — ученые считают, что оно содержит серу и никель, а также в меньшем количестве другие элементы. Оценки его температуры различаются, но, вероятно, она составляет от 9000 до 13000 градусов по Фаренгейту (от 5000 до 7000 градусов по Цельсию).
Над внутренним ядром находится внешнее ядро, оболочка из жидкого железа. Этот слой более холодный, но все же очень горячий, возможно, от 7 200 до 9 000 градусов по Фаренгейту (от 4 000 до 5 000 градусов по Цельсию).Он также состоит в основном из железа, плюс значительное количество серы и никеля. Он создает магнитное поле Земли и имеет толщину около 1400 миль (2300 километров).
Река СкалыСледующий слой — мантия. Многие думают, что это лава, но на самом деле это камень. Однако скала такая горячая, что течет под давлением, как дорожная смола. Это создает очень медленно движущиеся течения, так как горячая порода поднимается из глубины, а более холодная порода опускается.
Мантия имеет толщину около 1800 миль (2900 километров) и, кажется, разделена на два слоя: верхнюю и нижнюю.Граница между ними находится на глубине около 465 миль (750 километров) под поверхностью Земли.
Кора — это самый внешний слой Земли. Это знакомый нам ландшафт: камни, земля и морское дно. Его толщина варьируется от пяти миль (восьми километров) под океанами до в среднем 25 миль (40 километров) под континентами.
Течения в мантии разбили кору на блоки, называемые плитами, которые медленно перемещаются, сталкиваясь, образуя горы, или раскалываются, образуя новое морское дно.
Континенты состоят из относительно легких блоков, которые плавают высоко над мантией, таких как гигантские медленно движущиеся айсберги. Морское дно состоит из более плотной породы, называемой базальтом, которая вдавливается глубже в мантию, образуя бассейны, которые могут заполняться водой.
За исключением коры, недра Земли не могут быть изучены путем бурения скважин для отбора проб. Вместо этого ученые составляют карту внутренней части, наблюдая, как сейсмические волны от землетрясений изгибаются, отражаются, ускоряются или задерживаются различными слоями.
6 увлекательных фактов о мантии Земли
Симона Брандт / Getty Images
Мантия — это толстый слой горячей твердой породы между земной корой и ядром расплавленного железа. Он составляет основную часть Земли, составляя две трети массы планеты. Мантия начинается примерно на 30 км ниже и имеет толщину около 2900 км.
рибейроантонио / Getty Images
Земля имеет тот же рецепт элементов, что и Солнце и другие планеты (без учета водорода и гелия, которые избежали гравитации Земли).Вычитая железо в ядре, мы можем вычислить, что мантия представляет собой смесь магния, кремния, железа и кислорода, которая примерно соответствует составу граната.
Но какая именно смесь минералов присутствует на данной глубине — сложный вопрос, который окончательно не решен. Помогает то, что у нас есть образцы из мантии, глыбы горных пород, вынесенные в результате определенных извержений вулканов, с глубины 300 километров и более. Они показывают, что самая верхняя часть мантии состоит из перидотита и эклогита типа пород.Тем не менее, самое интересное, что мы получаем от мантии, — это бриллианты.
Активность в мантии
нормальных / Getty Images
Верхняя часть мантии медленно перемешивается происходящими над ней движениями плит. Это вызвано двумя видами деятельности. Во-первых, это движение вниз погружающихся пластин, которые скользят одна под другой. Во-вторых, существует восходящее движение мантийной породы, которое происходит, когда две тектонические плиты разделяются и расходятся. Однако все это действие не смешивает полностью верхнюю мантию, и геохимики считают верхнюю мантию скалистой версией мраморного пирога.
Мировые модели вулканизма отражают действие тектоники плит, за исключением нескольких областей планеты, называемых горячими точками. Горячие точки могут быть ключом к разгадке подъема и опускания материала намного глубже в мантии, возможно, с самого ее дна. Или нет. В наши дни ведется активная научная дискуссия о горячих точках.
Исследование мантии с помощью волн землетрясений
Гэри С. Чепмен / Getty Images
Наш самый мощный метод исследования мантии — это мониторинг сейсмических волн от землетрясений в мире.Два разных типа сейсмических волн, P-волны (аналогичные звуковым волнам) и S-волны (например, волны в встряхиваемой веревке), реагируют на физические свойства горных пород, через которые они проходят. Эти волны отражаются от некоторых типов поверхностей и преломляются (изгибаются), когда ударяются о другие типы поверхностей. Мы используем эти эффекты, чтобы нанести на карту внутренности Земли.
Наши инструменты достаточно хороши, чтобы лечить мантию Земли так, как врачи делают ультразвуковые снимки своих пациентов. После столетия сбора данных о землетрясениях мы смогли составить впечатляющие карты мантии.
Моделирование мантии в лаборатории
Джон Канкалози / Getty ImagesМинералы и горные породы изменяются под высоким давлением. Например, обычный мантийный минерал оливин превращается в различные кристаллические формы на глубине около 410 километров и снова на глубине 660 километров.
Мы изучаем поведение минералов в мантийных условиях двумя методами: компьютерными моделями, основанными на уравнениях физики минералов, и лабораторными экспериментами. Таким образом, современные мантийные исследования проводятся сейсмологами, компьютерными программистами и лабораторными исследователями, которые теперь могут воспроизвести условия в любой точке мантии с помощью лабораторного оборудования высокого давления, такого как ячейка с алмазной наковальней.
Слои и внутренние границы мантии
PeterHermesFurian / Getty ImagesВек исследований помог нам заполнить некоторые пробелы в мантии. Он состоит из трех основных слоев. Верхняя мантия простирается от основания коры (Мохо) до глубины 660 км. Переходная зона расположена между 410 и 660 километрами, на глубине которой происходят основные физические изменения минералов.
Нижняя мантия простирается от 660 километров до примерно 2700 километров.В этот момент сейсмические волны подвергаются настолько сильному воздействию, что большинство исследователей полагают, что породы под ними отличаются по своему химическому составу, а не только по кристаллографии. Этот неоднозначный слой в нижней части мантии толщиной около 200 километров носит странное название «D-double-prime».
Почему земная мантия особенная
Бенджамин Ван Дер Спек / EyeEm / Getty ImagesПоскольку мантия составляет основную часть Земли, ее история имеет фундаментальное значение для геологии. Во время рождения Земли мантия начиналась как океан жидкой магмы на вершине железного ядра.По мере затвердевания элементы, которые не вписывались в основные минералы, собирались в виде накипи сверху — корки. После этого мантия начала медленную циркуляцию, которая существовала в течение последних четырех миллиардов лет. Верхняя часть мантии остыла, потому что она перемешивается и гидратируется тектоническими движениями поверхностных плит.
В то же время мы многое узнали о строении сестринских планет Земли Меркурия, Венеры и Марса. По сравнению с ними у Земли есть активная смазанная мантия, которая очень особенная благодаря воде, тому же ингредиенту, который отличает ее поверхность.
Земная мантия — обзор
Аналогия океанической литосферы
Мантия Земли играет важную роль в эволюции коры и обеспечивает движущие силы для тектоники плит, которая в конечном итоге определяет обитаемость планеты. Однако, как важный компонент мантии Земли, изучение современной океанической литосферы ограничено доступными инструментами. Основная информация была получена с помощью геофизических методов, таких как акустические изображения, сейсмология, магнетизм, магнитотеллурия, гравиметрия и измерения теплового потока (Anderson, 2006; Helffrich, 2006).Тем не менее, в результате ограничений разрешения геофизических методов форма, рельеф, композиционная структура, геометрия сегментации и другие внутренние детали океанической литосферы, созданной вдоль срединно-океанических хребтов, остаются неуловимыми и не совсем понятными. С другой стороны, образцы глубинных вод на месте получают со дна океана и трансформируют разломы посредством дноуглубительных работ, программ бурения и отбора проб глубоководными подводными лодками (Warren, 2016), однако это сложно и дорого изучать.Более того, относительное положение некоторых глубинных образцов, извлеченных драгами, в океанической литосфере четко не ограничено. Поскольку осознание того, что офиолиты представляют собой фрагменты древней океанической литосферы, изучение офиолитов открывает возможность геологам внести фундаментальный вклад в понимание океанической литосферы из-за сохраненных в них высокоточных магматических и стратиграфических записей.
Частичное таяние верхней мантии Земли под срединно-океаническими хребтами является основной движущей силой химической дифференциации силикатной Земли (Condie, 2016).Теоретически люди предполагают, что корка обогащена несовместимыми элементами, а после нее остается остаточная мантия, которая предпочтительно обеднена этими элементами, но хорошо гомогенизирована за счет интенсивного конвективного перемешивания. Однако исследования MORB и абиссальных перидотитов также выявили наличие неоднородностей состава в мантии под срединно-океаническими хребтами и уменьшают обоснованность этого предположения (например, Hofmann, 1997; Warren, 2016). Например, абиссальные перидотиты подстилают срединно-океанический хребет, который предположительно подвергается ограниченному таянию на современной оси хребта.Однако ультраупорный мантийный блок, основанный на бесплодных основных, следовых и модальных составах, демонстрируется в области 15–16 ° с.ш. вокруг трансформного разлома Пятнадцать-двадцать на САХ (Paulick et al., 2006; Seyler et al. ., 2007; Godard et al., 2008), что указывает на предыдущие эпизоды добычи расплава. Напротив, некоторые перидотиты трансформного разлома Романш на САХ (Seyler and Bonatti, 1997) показывают более плодородный состав, чем деплетированная мантия (DM) (Workman and Hart, 2005), что подразумевает обогащенную мантию источника.Кроме того, исследования всех долгоживущих радиогенных изотопных систем показывают ультра-обедненные изотопные составы, такие как Nd (Salters and Dick, 2002; Cipriani et al., 2004; Mallick et al., 2014), Sr (Warren et al. ., 2009), Pb (Warren, Shirey, 2012), Hf (Stracke et al., 2011; Mallick et al., 2015) и Os (Harvey et al., 2006; Liu et al., 2008), что однозначно доказательства существовавших ранее истощений. Все свидетельства, полученные из глобальных абиссальных перидотитов, предполагают современную гетерогенную океаническую мантию.Однако природа древней океанической мантии (старше 180 млн лет) ничем не ограничена, так как большинство из них было погружено в более глубокую мантию.
Поскольку океаническая литосфера пережила субдукцию плит, офиолит может предоставить «более старую» информацию. Фактически, геохимические (например, REE, HFSE) и геохронологические данные (например, изотоп Re -Os) по многим офиолитам продемонстрировали убедительные доказательства неоднородности состава в их мантийных единицах (Aldanmaz et al., 2009; O’Driscoll et al. al., 2012; Пиккардо и др., 2014). Последовательности земной коры и мантии в некоторых офиолитах могут не отражать простую взаимосвязь между расплавом и остатком, как принято считать (Snow et al., 2000; Tsuru et al., 2000; Walker et al., 2002; Alard et al., 2005; Gervilla et al., 2005; Frei et al., 2006; Shi et al., 2007, 2012; Marchesi et al., 2011; O’Driscoll et al., 2012; González-Jimenez et al., 2012, 2013). Например, сплавы с высоким содержанием Os из неотетских офиолитов Дунцяо, Китай, демонстрируют гладкую структуру PGE, а Os 187 Os / 188 Os колеблется от 0.12003–0,12194 (дает возраст повторного истощения ≥ 1,1 млрд лет), что может представлять остатки субконтинентальной литосферной мантии (Shi et al., 2007). Не удалось достичь консенсуса относительно неоднородности состава, наблюдаемой в офиолитовой мантии. Принято считать, что эта «более старая» перидотитовая мантия может быть фрагментом субконтинентальной литосферной мантии (SCLM) (Hassler, Shimizu, 1998; Rampone et al., 2005; Shi et al., 2007; O’Reilly et al., 2009; González-Jimenez et al., 2013) или долгосрочное сохранение рефрактерных доменов в неполностью гомогенизированной астеносферной мантии (Liu et al., 2008). Независимо от происхождения неоднородности состава, способ, которым эти «более старые» перидотиты изолированы от мощной конвективной мантии, все еще является предметом активных дискуссий. Во всяком случае, на основе сравнительных исследований офиолитов (древней океанической литосферы) и современной океанической литосферы, это указывает на то, что верхняя мантия Земли неоднородна, по крайней мере, от древнейшего офиолита до наших дней.
Аналогия офиолита с древней океанической корой имеет свои недостатки.Мы предполагаем, что если современная океаническая литосфера является представителем древней океанической литосферы (офиолита), то сравнение их соответствующих петрологических, геологических и физических свойств должно выявить сильное сходство. Основной недостаток этого вывода состоит в том, что предполагается, что современные процессы, которые приводят к образованию новой океанической коры под срединно-океаническим хребтом, аналогичны тем, которые производили древнюю океаническую кору (офиолит) в прошлом, и их можно напрямую сравнить. . Однако физическое и химическое состояние мантии Земли менялось с эволюцией планеты с момента ее образования ~ 4.5 млрд лет назад, а также меняющиеся глобальные тектонические режимы (Condie, 2016). Как, например, во время Хадея, производство радиогенного тепла на Земле было в три-пять раз больше, чем в настоящее время, что привело к более горячей мантии в древние времена (примерно на 100–300 ° C горячее в раннем архее, чем в настоящее время) (Galer, 1991; Condie , 2016).