2.2. Мантия
Мантия представляет собой наиболее объёмную и массивную геосферу твёрдой Земли. Мантийное вещество рассматривают, как ранее отмечалось, в качестве первичной земной материи, испытавшей глубокую дифференциацию, за счёт которой образовались ядро и кора Земли (Рис. 2.25). Основными методами изучения этого вещества являются сейсмические и лабораторные исследования.
Рис. 2.25. Мантия Земли
Скорости упругих колебаний в мантии составляют (в км/с, по А. Дзевонскому и Д. Андерсону [25]):
- продольные волны - 8,1 (граница Мохо) - 13,7 (граница Гутенберга);
- поперечные волны - 4,5 (граница Мохо) - 7,3 (граница Гутенберга).
Увеличение скоростей сейсмических волн с глубиной происходит не-линейно, на отдельных глубинных уровнях оно имеет скачкообразный ха-рактер. Такими уровнями, имеющими глобальное распространение, являются глубины 400-410 и 670 км. На первом из них отмечается скачок скоростей продольных волн на 3-5 %, а на втором - 5-6 % [14, 25, 33]. По сейсмической границе 670 км мантию разделяют на верхнюю и нижнюю, а границей - 400-410 км - верхняя мантия делится на две части. Кроме этих двух границ выделяются ещё несколько сейсмических разделов, имеющих менее контрастный характер. Из них большое значение придаётся "плавающему" рубежу, расположенному в среднем на глубинах 2600-2700 км, ниже которого градиент нарастания скоростей упругих волн резко уменьшается, а в некоторых случаях даже возможно их уменьшение (в особенности это касается поперечных волн). На основе характера сейсмических разрезов в настоящее время общепризнанным является деление мантии на 4 части (зоны, слоя, оболочки, Рис. 2.5):
- слой "В" (собственно верхняя мантия до глубины 410 км);
- слой "С" (переходная зона, слой Голицына, иногда - средняя мантия, глубины 410 - 670 км);
- слой "D'" (основная часть нижней мантии - 670 - 2600-2700 км);
- слой "D"" (основание нижней мантии - 2600-2700 - 2900 км).
Рис. 2.5. Характеристика оболочек Земли
Нарастание скоростей сейсмических волн и прохождение сквозь ман-тию поперечных колебаний свидетельствуют об увеличении плотности ве-щества с глубиной и нахождении его в эффективно твёрдом состоянии. Состав современной мантии по представлениям многих учёных [23, 24] соответствует составу пиролита (Рис. 2.26).
Рис. 2.26. Химический состав современной мантии в сравнении с составом углистых хондритов
При этом геофизики [24 и др.] обычно принимают модель однородной в химическом отношении мантии, а геохимики часто считают [14 и др.], что нижняя мантия в сравнении с верхней несколько обогащена железом и некоторыми другими компонентами. Уплотнение мантийного вещества с глубиной все связывают с фазовыми переходами. В своё время А. Рингвуд по данным экспериментальных исследований перестройки кристаллических структур силикатов под высоким давлением показал, что все изменения плотности мантийного вещества могут быть объяснены уплотнением пиролита при постоянстве его химического состава [23, 24]. Наиболее вероятные и "простые" фазовые переходы отражены на рисунках 2.27 и 2.28 (более подробно особенности состава мантийного вещества будут рассмотрены в следующих подглавах). Термодинамические и некоторые другие параметры мантии по данным разных исследователей приведены на рисунках 2.5 и 2.29.
Рис. 2.27. Некоторые фазовые переходы и отдельные сейсмические рубежи в мантии
Рис. 2.28. Основные минеральные преобразования в мантии
Рис. 2.29. Термодинамические, скоростные и другие параметры мантии Земли
Появление в 1980-х годах сейсмической томографии позволило вы-явить не только вертикальные, но и латеральные скоростные (плотностные) неоднородности мантии. В 1990-х годах американскими и японскими сейс-мологами были опубликованы серии карт, отражающие сейсмические неод-нородности различных мантийных уровней, так американскими исследователями построены 12 карт для глубинных уровней (км) - 50, 200, 400, 650, 900, 1150, 1450, 1750, 2050, 2350, 2600, 2850 [20]. Данные сейсмотомографии, а также успехи экспериментальной минералогии позволили Ю.М. Пущаровскому и Д.Ю. Пущаровскому обосновать новую модель строения мантии (Рис. 2.30, 2.31) [19, 20, 22].
Рис. 2.30. Модели строения Земли
Рис. 2.31. Минеральные преобразования и сейсмические разделы в мантии