Мантия земли

Как образовалась Марианская впадина?

Марианская впадина образовалась в результате процесса, происходящего в зоне субдукции, где сталкиваются две массивные плиты океанической коры, известные как тектонические плиты. В зоне субдукции один кусок океанической коры проталкивается и протаскивается под другим, погружаясь в мантию Земли, слой под корой. Там, где два куска коры пересекаются, над изгибом погружающейся коры образуется глубокая впадина. В данном случае тихоокеанская плита прогибается под филлипинской плитой.

Возраст тихоокеанской плиты составляет около 180 миллионов лет в том месте, где она погружается во впадину. Филиппинская плита моложе и меньше по размеру, чем тихоокеанская.

Какой бы глубокой ни была впадина, она не является местом, расположенным ближе всего к центру Земли. Поскольку планета выпуклая в районе экватора, радиус на полюсах примерно на 25 км меньше радиуса на экваторе. Таким образом, часть морского дна Северного Ледовитого океана находится ближе к центру Земли, чем Бездна Челленджера.

Давление воды на дно впадины составляет более 703 килограмм на квадратный метр. Это более чем в 1000 раз превышает давление, ощущаемое на уровне моря, или эквивалентно давлению 50 реактивных самолетов, нагроможденных на человека.

Подземный «океан» в мантии

Исследования учёных из Франции и России свидетельствуют о том, что между верхней и нижней мантией на глубине 410-660 км содержится огромный резервуар с водой. По приблизительным подсчётам воды в подземном резервуаре много и её количество можно сопоставить с количеством воды во всём Мировом океане.

Учёные пока затрудняются ответить, почему в недрах планеты находится так много воды и как она туда попала. Существует предположение, что она оказалась во внутренних слоях Земли ещё во времена формирования планеты. Ранее геофизики считали, что водные ресурсы проникают в недра планеты из Мирового океана в результате движения литосферных плит, а также наслоения одной плиты на другую. Но количество воды слишком высокое для данного механизма её появления под землёй.

Исследования показывают, что так называемый круговорот воды на планете устроен намного сложнее, чем считалось ранее. В обычном для людей смысле назвать водой вещество, которое называют подземным «океаном», нельзя. Это не совсем та вода, которую человечество привыкло видеть. Этот минерал называется брусит. Он состоит из воды на 79%. Хотя содержание бурсита в мантии Земли равняется примерно 3%, подземный «океан», выйдя на поверхность, охватил бы всю Землю. Это явление считается невероятным и нереальным, если пользоваться только теми знаниями, которыми владеет человечество на данный момент.

Строение мантии

Однозначно ответить на вопрос из чего состоит мантия, до сих пор не может ни один ученый. Все имеющиеся на сегодняшний день методы изучения этой части нашей планеты, не могут дать полного ответа на этот вопрос. Однако, реализованные исследования дают возможность предполагать, что эта зона нашей планеты состоит из следующих слоев:

наружный слой имеет толщину от 30 до 400 километров земной поверхности
переходный слой находится сразу после наружного. Ученые предполагают, что его толщина достигает примерно 250 километров
толщина нижнего слоя, по предположениям ученых, наибольшая 2900 километров. Он продолжается до самого ядра.

Интересно, что земная мантия имеет в своем составе уникальные горные породы, которые отсутствуют в земной коре.Естественно выяснить точный состав мантии Земли нет возможности, по той простой причине, что нет таких агрегатов, которые могли бы добраться до мантии и взять ее образец. Все, что остается ученым – это изучать обломки мантии, время от времени появляющиеся на поверхности.В результате проведенных исследований, ученые выяснили, что мантия планеты имеет черно-зеленый оттенок. Основные компоненты — это горные породы, в составе которых преобладают такие химические элементы:

кремний
кальций
магний
железо
кислород.

Согласно еще одной теории о составе мантии, она состоит из двух частей: верхней и нижней.В верхней мантии выделяют три слоя, первый из которых имеет толщину примерно 50 км, а в его составе твердое и хрупкое кристаллическое вещество со скоростью продольных волн — 8,5 км/с. Этот слой вместе с земной корой формирует литосферу. Средний слой называют астеносфера. Главная характеристика этого слоя — аморфное стекловидное состояние вещества, и частично (около 10%) расплавленным вязкопластичным состоянием. В пользу этой теории говорит резкое снижение скорости сейсмических волн. Астеносфера может находиться на разных глубинах. К примеру, под срединно-океаническими хребтами, с наименьшей толщиной литосферного слоя, астеносфера располагается на глубине всего пары километров. Тогда как на окраине океана, с ростом мощности литосферы, увеличивается и толщина астеносферы до 60 – 80 км. Под поверхностью континентов толщина этого слоя достигает 200 км, а вот под континентальными рифтами снова уменьшается до 10 – 25 км. Нижний слой верхней мантии некоторые ученые определяют как переходный слой или же, как обособленную область — среднюю мантию. В этой части мантии вещество имеет твердокристаллическую структуру со скоростью продольных волн до 9 км/с.Нижняя мантия тянется до 2 900 км, и состоит из твердого кристаллического вещества со скоростью продольных волн до 13,5 км/с. Об этой части ученым известно совсем мало информации. Вещества, находящиеся в самой мантии, являются жидкими, вязкообразными, поскольку температура в этой области составляет более тысячи градусов. Возле земной коры температура понижается. Наблюдается в какой-то степени круговорот – охладившиеся массы опускаются вниз, а разогретые до предела поднимаются наверх. Таким образом, происходит непрерывное движение мантии Земли. Иногда, эта горячая масса попадает в самую кору планеты, вследствие извержения вулканов.

Горные породы по группам

1. Магматические. Название говорит само за себя. Они возникают из остывшей магмы, вытекающей из жерла древних вулканов. Строение этих пород напрямую зависит от скорости застывания лавы. Чем она больше, тем меньше кристаллы вещества. Гранит, например, сформировался в толще земной коры, а базальт появился в результате постепенного излияния магмы на ее поверхность. Многообразие таких пород довольно велико. Рассматривая строение земной коры, мы видим, что она состоит из магматических минералов на 60 %.

2. Осадочные. Это породы, которые стали результатом постепенного отложения на суше и дне океана обломков тех или иных минералов. Это могут быть как рыхлые компоненты (песок, галька), сцементированные (песчаник), остатки микроорганизмов (каменный уголь, известняк), продукты химических реакций (калийная соль). Они составляют до 75 % всей земной коры на материках.По физиологическому способу образования осадочные породы делятся на:

Обломочные. Это остатки различных горных пород. Они разрушались под воздействием природных факторов (землетрясение, тайфун, цунами). К ним можно отнести песок, гальку, гравий, щебень, глину.
Химические. Они постепенно образуются из водных растворов тех или иных минеральных веществ (соли).
Органические или биогенные. Состоят из останков животных или растений. Это горючие сланцы, газ, нефть, уголь, известняк, фосфориты, мел.

3. Метаморфические породы. В них могут превращаться другие компоненты. Это происходит под воздействием изменяющейся температуры, большого давления, растворов или газов. Например, из известняка можно получить мрамор, из гранита — гнейс, из песка — кварцит.

Минералы и горные породы, которые человечество активно использует в своей жизнедеятельности, называются полезными ископаемыми. Что они собой представляют?

Это природные минеральные образования, которые влияют на строение земли и земной коры. Они могут использоваться в сельском хозяйстве и промышленности как в естественном виде, так и подвергаясь переработке.

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли простирается от поверхности Земли до высоты примерно в 10 000 км, после этого она растворяется в космосе (но не все учёные согласны с верхней границей атмосферы).

Химический состав атмосферы Земли:

азот: 78%
кислород: 21%
аргон: 0,9%
следы других газов (углекислого газа, метана, водяного пара и неона): 0,1%

Атмосфера делится на пять различных слоёв, в зависимости от температуры:

Тропосфера: ближайший к поверхности Земли слой, простирающийся от поверхности на 16–18 км (её слой шире на экваторе и тоньше на полюсах). На тропосферу приходится 75–80% массы всей атмосферы. Температура тропосферы понижается с высотой. Большая часть облаков находится именно в этом слое.
Стратосфера: второй слой от поверхности, который начинается после верхней границы тропосферы (что называется тропопаузой), доходит до высоты около 50–55 км. В этом слое с высотой температура воздуха растёт. Здесь содержится 90% озона всей нашей атмосферы. Именно этот озон поглощает часть поступающей солнечной радиации (от потенциально вредного ультрафиолетового света) и тем самым защищает жизнь на Земле. Граница стратосферы называется стратопаузой.
Мезосфера: простирается на высоте 85 км над поверхностью Земли (от 50 км до 80–85 км). С высотой температура понижается, и самые низкие температуры атмосферы встречаются в верхней части именно этого слоя (–90°C). Атмосфера здесь тонкая, но плотная, что заставляет метеоры сгорать при прохождении через мезосферу (это создаёт явление «падающих звёзд»). Верхняя граница мезосферы называется мезопаузой.
Термосфера: простирается на высоте 600 км (от 80 до 800 км). Здесь температура увеличивается с высотой из-за солнечного излучения: верхние области могут достигать 2000°C.
Экзосфера: находится на высоте от 600–800 до 2000–3000 км от поверхности. Это самый верхний слой, который сливается с тем, что считается космическим пространством. В этом слое молекулы газа (в основном водород и гелий) улетучиваются в космос из-за слабой гравитации Земли. Этот слой имеет температуру выше 2000°С.

Узнайте больше про Атмосферу Земли.

Строение земли

О Земле человечеству известно много, но даже она до конца не изучена. Многое остаётся в формате теорий, но постепенно завеса тайны приоткрывается. Земля состоит из пяти слоёв:

внутреннее ядро;
внешнее ядро;
мантия;
земная кора;
атмосфера.

Форма

Планета Земля имеет форму шара, так принято считать. Но на самом деле, она больше похожа на валун неправильной формы, чуть сплюснутый у полюсов. Под воздействием гравитации и вращательной силы экваториальный диаметр на 40 км больше, чем полярный.

Земная кора

Земная кора – верхний твёрдый слой Земли. Выделяют два типа коры: континентальную и океаническую. Толщина значительно меняется, в некоторых местах, под океанами кора тонкая – около 6 км, а на континентах максимальная толщина достигает 70 км. Земная кора неоднородна и тоже состоит из нескольких слоёв. Нижний – базальтовый слой, второй – гранитный и третий – осадочный чехол, сформированный осадочной породой.

Внутреннее строение

Внутренне строение Земли можно сравнить с яйцом. В центре самая высокая плотность, как и в желтке, далее жидкая мантия и тонкая скорлупа – земная кора. Земная кора на самом деле очень тонкая, в сравнении с нижними слоями.

Внутреннее тепло

Около 20% внутреннего тепла планеты – это остатки от периода формирования планеты. Намного больше тепловой энергии выделяется в результате радиоактивного распада. В реакции участвуют изотопы калия-40, урана-238, урана-235 и тория-232. Период полураспада у большей части изотопов составляет больше миллиарда лет. Энергия, выделяющаяся в ядре, достигает земной коры. Это тепло лучше ощущается на океаническом дне, там, где земная кора намного тоньше.

Мантия Земли

Мантия составляет большую часть Земли. Её масса – это 76% от земной в то время, как объём – 83%. Эта разница обусловлена тем, что ядро более плотное и тяжёлое. Мантия по составу очень похожа на космические метеориты: кремний, железо, магний, кислород.
Чем ближе к центру Земли, тем горячее и плотнее становится вещество, постепенно переходя в новые фазы. Под давлением, практически вся мантия находится в состоянии твёрдой кристаллической решётки. Астеносфера – верхняя часть мантии, которая находится в жидком и пластичном состоянии.

Ядро Земли

В земном ядре сконцентрированы самые плотные структуры. Под давлением здесь происходит ядерный синтез, разогревающий планету. Ядро состоит из двух частей:
Плотное твёрдое ядро, радиусом в 1300 км. температура в центре ядра достигает 6000ºС.
Жидкое внешнее ядро, достигает в глубину до 2200км. Температура здесь ниже и металлы находятся в жидком состоянии.
Но иногда выделяют промежуточный слой, где вещество постепенно переходит из твёрдого в жидкое. Ядро постепенно остывает и, вместе с остыванием постепенно исчезает магнитное поле Земли, которое защищает её от космической радиации и солнечного ветра. Но человечеству это ничем не грозит, по расчётам, ко времени остывания ядра солнце уже уничтожит жизнь на Земле.

Земные приливы

На Землю большее влияние оказывает Луна и Солнца. Пот действием этих тел на Земле действуют приливы. Лунные и Солнечные приливы взаимодействуют между собой. Если луна, Земля и Солнце встают на одну прямую, приливы суммируются. Если эти тела образуют прямой угол, Солнце уменьшает воздействие Луны и прилив становится меньше.
Исследователи обнаружили, что кроме океанических приливов есть и земные приливы. Максимальное зафиксированное смещение уровневой поверхности составляет около 500м. Если бы Земная кора была тоньше и свободно двигалась по поверхности жидкой мантии, океанических приливов не существовало. Земная кора на поверхности мантии прогибалась бы вместе с океаническим волнами.

Дрейф материков

Земная кора неоднородна, она состоит из нескольких литосферных плит разного размера. Всего на Земле 8 крупных тектонических плит и несчитанное количество малых плит. Так материк Евразия находится на двух тектонических плитах – Евразийской и Северо–Американской плите. На местах соприкосновения тектонических плит наблюдается самая мощная геологическая активность. Здесь формируются горы, извергаются вулканы, образуются разломы.
Плиты и сегодня продолжают своё движение, и если оно продолжится в том же направлении, что и сейчас, то через 250 млн. лет образуется новый суперконтинент. Учёные уже прозвали его Пангея Ультра, в честь древнейшего материка.

Магматизм

Данное действо можно охарактеризовать как непростой процесс. Его запуск происходит благодаря движениям магмы, имеющей отдельные очаги, расположенные в разных слоях астеносферы.

По причине этого процесса на поверхности Земли мы можем наблюдать извержение магмы. Это всем хорошо известные вулканы.

Химический состав Земли (рис. 1) схож с составом других планет земной группы, например Венеры или Марса.

В целом преобладают такие элементы, как железо, кислород, кремний, магний, никель. Содержание легких элементов невелико. Средняя плотность вещества Земли 5,5 г/см3.

О внутреннем строении Земли достоверных данных весьма мало. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра.

Рис. 1. Химический состав Земли

Рис. 2. Внутреннее строение Земли

Ядро расположено в центре Земли, его радиус составляет около 3,5 тыс. км. Температура ядра достигает 10 000 К, т. е. она выше, чем температура внешних слоев Солнца, а его плотность составляет 13 г/см3 (сравните: вода — 1 г/см3). Ядро предположительно состоит из сплавов железа и никеля.

Внешнее ядро Земли имеет большую мощность, чем внутреннее (радиус 2200 км) и находится в жидком (расплавленном) состоянии. Внутреннее ядро подвержено колоссальному давлению. Вещества, слагающие его, находятся в твердом состоянии.

Мантия — геосфера Земли, которая окружает ядро и составляет 83 % от объема нашей планеты. Нижняя ее граница располагается на глубине 2900 км. Мантия разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю часть (800-900 км), из которой образуется магма (в переводе с греческого означает «густая мазь»; это расплавленное вещество земных недр — смесь химических соединений и элементов, в том числе газов, в особом полужидком состоянии); и кристаллическую нижнюю, тол- шиной около 2000 км.

Земная кора — внешняя оболочка литосферы. Ее плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли, — 3 г/см3.

От мантии земную кору отделяет граница Мохоровичича (ее часто называют границей Мохо), характеризующаяся резким нарастанием скоростей сейсмических волн. Она была установлена в 1909 г. хорватским ученым Андреем Мохоровичичем (1857- 1936).

Поскольку процессы, происходящие в самой верхней части мантии, влияют на движения вещества в земной коре, их объединяют под общим названием литосфера (каменная оболочка). Мощность литосферы колеблется от 50 до 200 км.

Ниже литосферы располагается астеносфера — менее твердая и менее вязкая, но более пластичная оболочка с температурой 1200 °С. Она может пересекать границу Мохо, внедряясь в земную кору. Астеносфера — это источник вулканизма. В ней находятся очаги расплавленной магмы, которая внедряется в земную кору или изливается на земную поверхность.

2. Литосфера и её строение

Литосфера — это твердая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии (от греч. lithos — камень и sphaira — шар). Известно, что существует тесная связь между литосферой и мантией Земли. Мощность литосферы составляет в среднем от 70 до 250 км.

Литосфера – это внешняя оболочка «твёрдой» Земли.

Земная кора и верхняя (твердая) часть мантии образуют литосферу. Она представляет собой «шар» из твёрдого вещества радиусом около 6400км. Земная кора — внешняя оболочка литосферы. Состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Отличают океаническую и материковую земную кору. В составе первой отсутствует гранитный слой. Максимальная толщина земной коры около 70 км — под горными системами, 30- 40 км — под равнинами, наиболее тонкая земная кора — под океанами, всего 5- 10 км. Остальную часть мы называем внутренней литосферой, которая включает также и центральную часть, называемую ядром. О внутренних слоях литосферы нам почти ничего не известно, хотя на их долю приходится почти 99,5% всей массы Земли. Их можно изучать только с помощью сейсмических исследований.

Мощность литосферы изменяется от 50 км (под океанами) до 100 км (под материками) . Cтроение литосферы представлено её крупными блоками – литосферными плитами, отделёнными друг от друга глубинными тектоническими разломами. Литосферные плиты движутся в горизонтальном направлении со средней скоростью 5-10 см в год.

Процессы мантии

Процессы, которые происходят на такой значительной глубине, изучены крайне мало. Однако, ученые выдвинули теорию о том, что ядро Земли в значительной степени влияет на мантию и процессы, которые в ней происходят. Подтверждается это разными природными явлениями, таким как:

вулканизм
землетрясения
движение тектонических плит, вследствие чего происходит образование гор и впадин.

Кроме этого, в мантии происходит образование различных минералов и формирование месторождений полезных ископаемых.Не так давно, ученые выяснили, что мантия под Аляской движется со скоростью, которая в 20-30 раз выше скорости движения сближающихся в этом месте литосферных плит. Таким образом, полученные данные могут быть использованы для прогнозирования сейсмического положения в разных областях планеты, уверенны авторы исследований. Статья была напечатана в журнале Nature.Аляску называют «зоной субдукции литосферных плит», то есть местом, где Тихоокеанская литосферная плита «ныряет» под Северо-Американскую. Она как бы погружается в земные недра. Вследствие этого в этой зоне сформировался наивысший горный массив Северной Америки и, и гора Мак-Кинли — самая высокая точка на карте Северной Америки.Зонами субдукции называют области скопления большого напряжения в земной коре. На основании их изучения ученые могут предсказать категорию сейсмической опасности, а также вероятность образования землетрясений в конкретном районе.В своем исследовании геолог из Калифорнийского университета в Дэвисе Магали Биллен (Magali Billen) со своими коллегами приводят данные проведенного моделирования поведения мантии — вязкого вещества, на котором «дрейфуют» литосферные плиты.В результате проведенных вычислений на 400-процессорном суперкомпьютере, которые длились 48 часов без остановки, ученые выявили, что вразрез с их ожиданиями, мантия в области субдукции не увлекается земной корой и не углубляется вместе с ней в недра Земли. Напротив, она с колоссальной скоростью «течет» вокруг литосферной плиты, которая погружается погружающейся.Тогда как, стандартно в областях субдукции скорость движения земной коры достигает около десяти сантиметров в год, а скорость движения мантии незначительно ее превышает, то в этом случае скорость движения мантии составляет целых 90 сантиметров в год.После проведения таких исследований ученые пришли к выводу, что в области субдукции, концентрируется более существенное количество энергии, чем считали раньше. Эта энергия будет непременно высвобождаться в виде землетрясений или цунами.

Источники информации о мантии

Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены.

Мантию изучают по следующим данным:

Геофизические данные. В первую очередь данные о скоростях сейсмических волн, электропроводности и силе тяжести.
Мантийные расплавы — перидотиты, базальты, коматииты, кимберлиты, лампроиты, карбонатиты и некоторые другие магматические горные породы образуются в результате частичного плавления мантии. Состав расплава является следствием состава плавившихся пород, механизма плавления и физико-химических параметров процесса плавления. В целом, реконструкция источника по расплаву — сложная задача.
Фрагменты мантийных пород, выносимые на поверхность мантийными же расплавами — кимберлитами, щелочными базальтами и др. Это ксенолиты, ксенокристы и алмазы. Алмазы занимают среди источников информации о мантии особое место. Именно в алмазах установлены самые глубинные минералы, которые, возможно, происходят даже из нижней мантии. В таком случае эти алмазы представляют собой самые глубокие фрагменты земли, доступные непосредственному изучению.
Мантийные породы в составе земной коры. Такие комплексы в наибольшей степени соответствуют мантии, но и отличаются от неё. Самое главное различие — в самом факте их нахождения в составе земной коры, из чего следует, что они образовались в результате не совсем обычных процессов и, возможно, не отражают типичную мантию. Они встречаются в следующих геодинамических обстановках:

Альпинотипные гипербазиты — части мантии, внедрённые в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах, от которых и произошло название.
Офиолитовые гипербазиты — перидотиты в составе офиолитовых комплексов — частей древней океанической коры.
Абиссальные перидотиты — выступы мантийных пород на дне океанов или рифтов.

Эти комплексы имеют то преимущество, что в них можно наблюдать геологические соотношения между различными породами.

Недавно было объявлено, что японские исследователи планируют предпринять попытку пробурить океаническую кору до мантии. Начало бурения планируется на 2007 год. Обсуждалась также возможность проникновения к границе Мохоровичича и в верхнюю мантию с помощью самопогружающихся вольфрамовых капсул, обогреваемых теплом распадающихся радионуклидов (M.I. Ojovan, F.G.F. Gibb, P.P. Poluektov, E.P. Emets. Probing of the interior layers of the Earth with self-sinking capsules. Atomic Energy, 99, No. 2, 556—562 (2005)).

Основной недостаток полученной из этих фрагментов информации — невозможность установления геологических соотношений между различными типами пород. Это кусочки мозаики. Как сказал классик[кто?], «определение состава мантии по ксенолитам напоминает попытки определения геологического строения гор по галькам, которые из них вынесла речка».