2.2.2. Нижняя мантия
Нижняя мантия залегает на глубинах 670 - 2900 км. По сейсмическим данным в ней выделяют слои D' и D".Мантийный уровень 670-2600 (2700) км (слой D')
Характеризуется дальнейшим нарастанием скоростей сейсмических колебаний (км/с): Vp - 10,75-13,68; Vs - 5,95-7,27 [25].Скачок сейсмических скоростей на рубеже 670 км (Vp - 10,27-10,75 км/с; Vs - 5,57-5,95 км/с) связывают с переходом рингвудита и мейджорита (гранат) в перовскит (Mg,Fe)SiO3, магнезиовюстит (Mg,Fe)O и окисные фазы. Большинство исследователей принимает, что нижняя мантия на 70 % сложена перовскитом (это 40 % объёма всей Земли), на 20 % магнезио-вюститом и 10 % приходится на стишовит (SiO2) и оксиды Ca, Na, K, Al и Fe [20]. Увеличение плотности с глубиной, начиная с 670 км, иногда связывают с увеличением содержания железа, т.е. допускается изменение химического состава мантии [34]. Максимальная вязкость (прочность, добротность) мантийного вещества отмечается на глубине ~2000 км.
В последнее время границе между верхней и нижней мантии придаётся большое геодинамическое значение. Её считают полупроницаемым барьером для нисходящих верхнемантийных масс и восходящих потоков нижнемантийного вещества (движения мантийного вещества будут рассмотрены отдельно) [14, 33].
Вариации с глубиной термобарических условий и других важных параметров были охарактеризованы ранее (Рис. 2.5; 2.29; 2.40).
Рис. 2.5. Характеристика оболочек Земли
Рис. 2.29. Термодинамические, скоростные и другие параметры мантии Земли
Рис. 2.40. Минералогия мантии
Мантийный уровень 2600 (2700) - 2900 км (слой D")
Отличительной особенностью слоя D" (D-дубль-прим) является его резко выраженная анизотропность. Она проявлена неровностью кровли, соответственно изменчивой мощностью, значительными вариациями сейсмических скоростей в вертикальном и горизонтальном направлениях, наличием в основании слоя зоны ультранизких скоростей.Сама граница между слоями D' и D" выражена с различной чёткостью. На одних участках переход постепенный, на других - резкий; на одних участках ниже этой границы сейсмические скорости возрастают, на других - понижаются [14]. Очень важное значение имеет открытие в основании слоя зоны низких сейсмических скоростей, обладающей мощностью 20-30 км. Данная зона в своё время О. Г. Сорохтиным была названа слоем Берзон [24], американскими учёными она именуется - ULVZ [14, 33]. Предполагается, что вещество находится здесь в состоянии значительного частичного плавления, что определяет возможность интенсивного массо- и теплообмена между мантией и ядром Земли. Расплавленное железо из мантии стекает в ядро, при этом выделяется огромное количество тепловой энергии и происходит разуплотнение мантии. Для расплавления чистого железа при том давлении, которое характерно для слоя D", необходима температура ~4000° С (силикатное вещество при таких условиях не плавится), но по некоторым учёным температура на границе мантия-ядро не может превышать 2600° С. В этом случае единственно возможным веществом, которое в расплавленном состоянии переходит из мантии в ядро, является Fe2O (Fe*FeO), температура плавления которого составляет всего 2300° С [24] (всё сказанное относится к модели Земли, в которой ядро имеет железистый состав, а такую модель принимают практически все современные исследователи).
Тепло- и массообмен осуществляются не только непосредственно вдоль границы мантия-ядро (2900 км), но и во всём объёме слоя D", который с одной стороны является местом зарождения масштабных восходящих потоков разогретого разуплотнённого мантийного вещества (апвеллингов или суперплюмов (в пределе могут достигать подошвы земной коры)), а с другой - местом погребения (захоронения) погружающихся слэбов океанской литосферы (Рис. 2.41).
Рис. 2.41. Схема восходящих и нисходящих движений мантийного вещества
В связи с такой разнородностью слоя D" ему присвоен термин "мантийный компот". По В.Е. Хаину этот слой образовался 4,4 млрд. лет назад и со временем растёт, увеличиваясь в мощности. Он на 75 % сложен постперовскитом или Mg-перовскитом (MgSiO3), который устойчив в широком диапазоне термодинамических условий и хорошо объясняет свойства слоя D" [33].