2.2.1.  Верхняя мантия

Верхняя мантия располагается между границей Мохо и сейсмической границей на глубине 670 км. Здесь сосредоточены практически все гипоцентры глубокофокусных землетрясений (в связи с этим основание тектоносферы иногда проводят по глубинной границе 670 км). Сейсмическим рубежом 410 км верхняя мантия разделяется на два слоя (оболочки, зоны).

Мантийный уровень 33-410 км (собственно верхняя мантия, слой "В")

• продольные волны (V_p) - 8,08-8,1;
• поперечные (V_s) - 4,48-4,67.

Рис. 2.32.  Строение верхней мантии до глубинного уровня 410 км

Литосферная (надастеносферная) мантия

Подстилает земную кору, от которой отделяется границей Мохо. Совместно с корой образует литосферу. Литосферная мантия сложена, в основном, перидотитами, которые по своим свойствам - плотности, скоростям прохождения упругих колебаний, электро- и теплопроводности - полностью соответствуют геофизическим параметрам этой части мантии. Данные перидотиты представляют собой остатки от пиролита, после удаления из него базальтовой составляющей, за счёт которой произошло формирование базальтового слоя земной коры. Кроме перидотитов в литосферной мантии возможно присутствие эклогитов в виде отдельных линз и блоков. Наличие эклогитов предполагается лишь под континентами, т.к. чаще всего они встречаются в виде ксенолитов в составе континентальных магматических проявлений - кимберлитовых трубках и базальтовых покровах, кроме этого эклогиты представляют собой продукты высокобарического метаморфизма магматитов основного состава, который возможен на глубинах не менее 40 км.

Таким образом, литосферная мантия сложена перидотитами и, в меньшей степени, эклогитами, а преобладающими минеральными видами здесь являются оливины, пироксены и гранаты (Рис. 2.33).

Рис. 2.33.  Петрографический и минеральный составы литосферной мантии

Астеносфера

Астеносфера буквально означает "слабая оболочка". Она была предсказана Дж. Баррелом в 1916 г., а открыта Б. Гуттенбергом в 1960-х годах [34]. Снижение скоростей сейсмических волн и повышенная электропроводность в астеносфере свидетельствуют о том, что вещество в этой оболочке находится в частично расплавленном состоянии. Доля расплава предположительно составляет 1-5%. Причиной плавления вещества является оптимальное сочетание термобарических условий. В астеносфере происходит частичное плавление пиролита, при этом расплав имеет базальтовый состав. По расчётным данным даже небольшое увеличение температуры или снижение давления приводит к значительному увеличению степени плавления и, соответственно, возрастанию доли расплава, а это, в свою очередь, ведёт к понижению вязкости (прочности) вещества.

В связи с этим, астеносфера играет одну из ключевых ролей в тектонических процессах. Она является одним из главных (базовых) источников магматической деятельности на Земле, ей принадлежит ведущая роль в горизонтальных и вертикальных движениях литосферы. Формирующиеся в астеносфере базальтовые расплавы в основном "идут" на формирование новой океанской коры в срединно-океанских хребтах. В настоящее время, как ранее указывалось, ежегодный объём новообразованной океанской коры составляет около 12 км3 [24]. Пониженная вязкость астеносферного вещества определяет его текучесть (способность пластически деформироваться), что является важнейшим необходимым условием для проявления тектонических движений.

Положение астеносферы в разрезе верхней мантии нестационарно, оно может испытывать значительные колебания, что во многом определяется вариациями глубинного теплового потока. Обычно считается, что кровлей астеносферы является изотерма 1200-1300° С, т.к. при температуре 1200° С начинается частичное плавление перидотита с образованием расплава базальтового состава. В отдельных случаях астеносфера на геофизических разрезах отчётливо не проявляется, в первую очередь это касается щитовых областей древних платформ, поэтому многие исследователи говорят о неповсеместном, локально-линзовидном характере её распространения [20]. В тоже время многие щиты (Канадский, Балтийский) испытывают активные гляциоизостатические поднятия, что очень трудно объяснить в случае отсутствия под щитами слабого астеносферного слоя [34].

В общем, кровля современной астеносферы расположена на глубинах (км): в пределах океанов - от 3-10 под срединно-океанскими хребтами до 80-100 на периферии океанов (т.е. мощность океанской литосферы составляет 3-10 - 80-100 км, Рис. 2.34);

Рис. 2.34.  Карта мощности (км) океанской литосферы

Рис. 2.35.  Положение астеносферы под континентами

Рис. 2.36.  Карта современных тепловых потоков

Астеносфера выравнивает давление разновысотных блоков литосферы, благодаря чему проявляется изостазия или равновесное состояние литосферного вещества. Ещё в XIX в. было выявлено, что неровности поверхностного рельефа чем-то уравновешаны на глубине таким образом, что на поверхности не отмечается существенных отклонений от средних значений силы тяжести, т.е. не проявляются крупные положительные гравитационные аномалии. В это же время английскими учёными Дж. Эри и Дж. Праттом были предложены две модели изостазии земной коры (Рис. 2.37).

Рис. 2.37.  Модели изостазии Дж. Эри и Дж. Пратта

Рис. 2.11.  Характер изменения мощности континентальной коры

Явление изостазии предполагает и проявление соответствующих вертикальных движений литосферы при приложении или снятии поверхностной нагрузки. Ярким примером является погружение литосферы при формировании мощных ледников или при интенсивном осадконакоплении, и её воздымание при сходе ледников и некоторых других процессах (Рис. 2.38).

Рис. 2.38.  Проявления вертикальных изостатических движений литосферы

Рис. 2.39.  Схема региональной изостатической компенсации

Мезосфера

Это оболочка (зона, слой) варьирующей мощности, расположенная между подошвой астеносферы и сейсмическим рубежом 410 км [33]. Мезосфера отличается ростом скоростей сейсмических волн, она сложена пиролитом, находящимся в твёрдом состоянии.

Температура в основании мезосферы (всего слоя "В") составляет 1450-1600° C, давление - 125-150 кбар (1 бар равен 0,987 атм.), плотность вещества - 3,5-3,6 г/см³ [6, 9, 18, 20, 24, 25].

Мантийный уровень 410-670 км (слой "С", слой Голицына, средняя мантия, переходная зона, переходный слой)

Яркой особенностью этого уровня является значительный градиент сейсмических скоростей. Нарастание скоростей продольных волн происходит в интервале (км/с) - 9,1-10,27; а поперечных - 4,93-5,57; это соответствует увеличению плотности мантийного вещества с 3,72 до 3,99 г/см³ [25]. Скачок сейсмических скоростей на 3-5 % на глубинном уровне 410 км обычно связывают с переходом α-оливина (Fe, Mg)₂SiO₄ в более плотную модификацию β-оливин (вадслеит). Общее уплотнение мантийного вещества в слое "С" происходит и за счёт перехода пироксенов в гранат, а на глубине 520 км [33] β-оливин (вадслеит) переходит в γ-оливин (рингвудит) со структурой шпинели [20]. Таким образом, мантийный уровень 410-670 км в основном представлен фазами со структурными типами граната и шпинели (Рис. 2.40). Его дополнительной особенностью является обогащённость водой, что должно способствовать высокой подвижности слоя "С". Содержание воды составляет ~0,1 %, она связана с Mg-силикатами [14, 20]. Среднее же содержание воды во всей мантии оценивается в 0,05 % [24].

Рис. 2.40.  Минералогия мантии