Лекция 3 Верхняя и нижняя мантия, данные сейсмической томографии об их вертикальных и горизонтальных неоднородностях, а также о рельефе поверхности ядра. Вероятные глубинные и внешние источники энергии тектонических процессов. Конвекция в мантии Земли: основные модели и прямые данные сейсмической томографии.

Мантия Мантия – преимущественно твердая геосфера Земли, располагающаяся между корой (границей Мохо) и верхней границей ядра, т.е. от 40 до 2900 км. Мантия состоит главным образом из Fe, Mg, Si и O, она составляет 67 % массы Земли. О существовании мантии стало понятно после открытия ядра Земли в начале XX века. Немного позднее (в 1936 г) было установлено, что имеется внутреннее (твердое) и внешнее (жидкое) ядра Земли.

Мантия, кора и ядро – геосферы всех планет «земной» группы, но вот доля литосферной мантии весьма различна У тектонически активных («живых») планет – литосферная мантия (т.е. наиболее жесткая часть мантии) тонкая, а у малоактивных планет - мощная (соизмеримая с мантией) –

Верхняя мантия км Нижняя мантия км Стратификация мантии А – земная кора (около 40 км); В 1 - литосферная мантия (А + В 1 - литосфера); В 2 - астеносфера С - переходная зона 1, до границы 670 км (В 1 + В 2 + С - верхняя мантия) D 1 - нижняя мантия (С + D 1 - мезосфера); D 2 - переходная зона 2 (до границы 2900 км); Е - внешнее ядро; F - переходная зона; G - внутреннее ядро. (Добрецов и др., 2001) Буквенные обозначения геосфер по К.Е. Буллену, Вариант 1 и 2

Верхняя мантия км Зона раздела км Средняя мантия км Зона раздела км Нижняя мантия (со слоем D) км Стратификация мантии (Пущаровский, 2001) Слой Голицина км Вариант 3

Скорость волн выше средней, т.е. это относительно холодные части мантии Вертикальная неоднородность мантии Скорость волн ниже средней, т.е. это относительно горячие части мантии

Вертикальная неоднородность мантии

Граница 670 км Разрез Земли по данным сейсмической томографии. Видны относительно плотные и холодные (голубые) и относительно горячие части мантии. Граница 670 км вида отчетливо. – очаги землетрясений. Вертикальная неоднородность мантии

Континентальная кора Континентальная литосфера Астеносферная мантия Оливин>> Шпинель переход (1450 С) Верхняя мантия Нижняя мантия Океаническая литосфера Зона раздела км Мантийный плюс Верхняя мантия км

Данные сейсмической томографии для слоя мантии на глубине 1350 км. Показаны вариации скоростей P- и S- волн. Голубой цвет – скорость выше средней, т.е. это относительно холодные части мантии Красный цвет – скорость выше средней, т.е. это относительно горячие участки мантии Структура мантии на глубине 1350 км Латеральная (горизонтальная) неоднородность мантии

Плотность : От 3,3 до 10 г/см 3 Плотность в мантии Мантия неоднородна по плотности. Разрез Земли по данным сейсмической томографии. Видны относительно плотные (голубые) и менее плотные части мантии. мантия

Температура мантии Оболочка Т K ср А673 В1В В2В В2В В2В C1673 C1723 D1D * D2D2 Е3500* 4000* T(C)= T(K)-273

Верхняя мантия. Граница Мохо в обнажениях. Офиолиты Омана Moho in Wadi Abiad (Nakhl- Rustaq massif). Полосчатые гарцбургиты. Они образовались в результате высокотемпературной пластического течения вещества мантии при высоких температурах. Banded harzburgite. The layering (dunite, pyroxenite, harzburgite) results from High temperature asthenospheric flow

Элемент Земля в целом ЯдроПримитивная мантия О ± Si ± А Mg Fe (6.5)? Ni ± S ± Ca К0.02(?)(?)0.03(?) Na0.18(?)0.26(?) Ti Mn Cr Co P Сумма Масса, % % - вн. ядро 67.5 Масса, кг* Химический состав мантии

Оксид Нижняя мантия Верхняя мантия КораПиролит IПиролит II Si А MgO FeO7.49(8.2)? NiO S CaO K2OK2O9.935(?)(0.07) Na (?)0.3(0.41) TiO (0.2) MnO Cr (1.37CO 2 )0.02 P205P H2OH2O0.2(?)0.18(?) Сумма Масса, % (97.8 %) (2.2 %) Масса, кг* Химический состав мантии

Пиролит (pyrolite – анг.) – средний вычисленный первичный состав мантии, состоящий из смеси перидотита и базальта (3:1) Верхняя мантия обеднена кремнеземом, щелочами, ураном, торием, РЗЭ, т.к. из нее выплавились базальты. Эта мантия называется геохимический истощенной (или просто истощенной или деплетированной)

Минералогический состав верхней мантии Минерал Химическая формула Объёмное содержание, % Оливин Ol (Fo 89 ) (Mg,Fe) 2 SiO 4 57 Ромбический пироксен (OPx) (Mg,Fe)SiO 3 17 Моноклинный пироксен (омфалит) CPx (Ca,Mg,Fe) 2 Si 2 O 6 - NaAlSi 2 O 6 12 Гранат(пироп) Gr (Mg,Fe,Ca) 3 (Al,Cr) 2 Si

Минеральный состав мантии Плотность г\см -3 Верхняя мантия Нижняя мантия Граница 670 км Граница 410 км (Ca,Mg,Fe)SiO 3 (Mg, Fe)O

Континентальная кора Континентальная литосфера Астеносферная мантия Оливин>> Шпинель переход (1450 С) Верхняя мантия Нижняя мантия Океаническая литосфера Зона раздела км Мантийный плюс Верхняя мантия км

Мантийная конвекция Молекулярный теплоперенос (теплопроводность) осуществляется, когда передача энергии происходит при столкновении между молекулами, т. е. имеет место диффузионная передача кинетической энергии от одних молекул к другим. Этот вид теплопереноса происходит как в твердом, так и в жидком и газообразном состояниях. Влияние этого вида теплообмена наиболее значительно в литосфере Земли. Конвективный теплоперенос связан с движением среды. Этот вид переноса тепла связан с движением в жидкости и газе. Например, в условиях тепловой гравитационной конвекции горячая жидкость поднимается вверх, перенося с собой аккумулированное тепло. Наоборот, холод нал жидкость опускается, охлаждая окружающую среду при смешивании с ней. Этот вид теплообмена, как увидим ниже, является определяющим для мантии и внешнего ядра Земли. Лучистый перенос - это перенос энергии электромагнитными излучениями. Примером может служить перенос энергии в определенных зонах Солнца и от Солнца к Земле. В недрах Земли лучистый теплоперенос несуществен, и его влияние при необходимости можно учесть введением поправки в коэффициент теплопроводности.

Следы мантийной конвекции наблюдается на сейсмотомографических профилях – реальность конвекции

Схема двухслойной конвекции мантии и течений в мантии (Зоненшайн, Кузьмин, 1993)

Сейсмотомографическая карта границы мантия - ядра. Желтое – области с медленной скоростью, голубое – с высокой скоростью. Эта карта выполнена американскими учеными в результате анализа сейсмологических данных с использованием одного из самого быстродействующего компьютера На границе ядро-мантия находится слой D с варьирующей мощностью от 0 до 200 км. Граница ядро-мантия

Схематический разрез границы ядро- нижняя мантия. Легкие элементы концентрируются во внешнем ядре, попадая туда из внутреннего. Эти элементы, в конечном счете, концентрируются в депрессиях на границе ядро-мантия. Благодаря данному эффекту, вероятно, и образуется зона сверхнизких сейсмических скорости (ULVZs), которая фиксируется сейсмологами. Формирование зоны сверхнизких сейсмических скоростей в слое D

Плюмы – струи относительно горячего вещества, прожигающего мантию, которая в свою очередь конвертирует. Плюмы по своей природе могут быть: Тепловые Химические Комбинированные (термохимические)

A hypothetical model of a mantle plume, in a time sequence (left to right) showing temperature and several lines of tracer points. By Geoff Davies. Модель формирования мантийного плюса. Показано распределение температуры

Computer simulation of a global view of plumes rising from the core mantle boundary. Модель современного состояния мантийных плюсов, зарождающихся на границе ядро-мантия

Проявлением плюсов на поверхности является магматизм в горячих точках. Это может быть щелочной магматизм, коматиит- базальтовый, кимберлитовый, трапповых базальтов. О млн. лет 42 млн. лет 70 млн. лет Продолжительность развития плюсов от 15 до 120 млн. лет Наиболее активные горячие точки Горячие точки – проявление плюсов

Формирование полей трапповых базальтов (или LIP) Поля трапповых базальтов и кимберлитов – проявление плюсов

1. Мантия Земли, имеющая огромную мощность (~ 2870 км) и составляющую 67 % массы планеты, может быть разделена на, по крайней мере, шесть геосфер: на верхнюю, среднюю и нижнюю с тремя переходными зонами. Сейсмотомографические серии карт, построенные для разных глубинных уровней, вплоть до земного ядра, раскрывают глубинные неоднородности как по вертикали, так и по латерали. Реальность такого строения мантии поддерживается непротиворечивыми данными относительно глубинных сейсмических рубежей и минеральных преобразований. 2. Сейсмоаномалии несут информацию о физических свойствах среды. Наличие низко- и высокоскоростных ареалов позволяет судить об изменчивости внутри геосфер термодинамических условий. В целом создаются системы, главнейшей особенностью которых является неустойчивость. Мантийные геосферы являются не только поглотителями и трансформаторами энергии, поступающей из ядра, но и сами способны продуцировать энергетические импульсы и инициировать тектонические процессы. Некоторые выводы

3. В настоящее время общепризнано, что Земля в целом представляет собой открытую систему. Но это относится и к отдельным геосферам. Между последними происходит обмен веществом и энергией. Полной автономности геосфер не существует, однако области их раздела могут иметь разный характер. 4. Существует две категории мантийных тепло- массо потоков: мантийная конвекция и плюсы. Последние формируются на границах ядро-мантия и ряда геосфер. Сверхглубинные тепло- массо потоки могут ограничиваться нижней мантией, в других случаях они проникают в среднюю мантию, а иногда оказываются сквозьмантийными, продвинутыми до земной поверхности. В реальных условиях обе категории могут совмещаться, осложняя общую геодинамическую ситуацию в глубинах планеты. Понятие "тектоносфера" должно быть расширено. Оно относится не только к земной коре и верхней мантии, но охватывает мантию Земли в ее полном объеме, поскольку тектонические движения и тектоническое структурообразование присуще всем мантийным геосферам. Некоторые выводы

Источники энергии геодинамических процессов Гравитационная дифференциация Остаточное тепло аккреции Земли Радиоактивное тепло Твердые приливы Гравитационная неустойчивость (диапиризм) Энергия метеоритной бомбардировки

Энергия глубинной гравитацион- ной дифференциации это выделе- ние тепла при перераспределении вещества Земли по плотности при его химических и фазовых превра- щениях. Главным здесь является процесс разделения вещества на силикатную и металлическую или, точнее, металлизированную (скорее всего Fe 2 O или FeO) часть на границе мантии и ядра, в слое D". Впервые на ведущую роль этого процесса в глубинной дифференциации Земли указали советские геологи О. Г. Сорохтин, Л.М. Неймарк, В.А. Дубровский, В.А. Панькин в 70-е года XX века. Гравитационная дифференциация (энергия гравитационной дифференциации)

Гравитационная дифференциация (энергия гравитационной дифференциации) Зависимость скорости выделения гравитационной энергии от времени (Неймарк, Сорохтин, 1977) Выделение тепловой энергии в ''твердой" Земле: 1 - энергия приливного торможения Земли (Рускол, 1975); 2 - суммарная энергия распада радиоактивных элементов в мантии и коре Земли; 3 – тепловая энергия гравитационной дифференциации 4 – суммарное энерговыделение в мантии и коре Земли

Энергия метеоритной бомбардировки Местоположение известных ударных кратеров на Земле. Такие структуры назывются также астроблемы Возможно так образовалась Луна

Основные термины Верхняя и нижняя мантия Стратификация мантии Мантийная конвекция Плюм Горячие точки Вертикальная неоднородность мантии Латеральная неоднородность мантии Пиролит геохимический истощенная мантия зона сверхнизких сейсмических скорости (ULVZs) в слое D Гравитационная дифференциация Остаточное тепло аккреции Земли Радиоактивное тепло Твердые приливы Гравитационная неустойчивость (диапиризм) Энергия метеоритной бомбардировки