Фазовые переходы в мантии.

Тема 14.

Мантия Земли.

Мантия представляет собой наибольшую по объёму и весу оболочку твёрдой Земли, простирающуюся от подошвы коры на минимальной глубине 5-7 км под осевыми зонами срединно-океанских хребтов до границы Гутенберга на глубине 2891 км. Современные модели Земли предполагают, что мантия в целом, как и её отдельные оболочки, в первом приближении гомогенна по латерали, а это является следствием интенсивного перемешивания мантии конвективными течениями. Вертикальная расслоённость мантии определяется изменениями минералогии и структуры слагающих её силикатов.

О веществе, из которого состоит мантия, мы не имеем почти никаких прямых данных, поэтому все сведения о её составе черпаются в основном из косвенных источников с введением определённых физических ограничений, базирующихся на данных о скоростях распространения упругих волн в мантии, их производных - расчётных величинах плотности, температуры и давления, а также на лабораторных экспериментах по поведению силикатов в условиях высоких давлений и температур.

Кроме того, для определения состава мантии Земли широко используются материалы о метеоритах, позволяющие проверить предположения о возможных составах вещества, из которого состояла первоначальная гомогенная Земля до её дифференциации на оболочки. Дополнительные и чрезвычайно важные сведения о составе мантии удаётся почерпнуть из анализа состава офиолитов. а также ксенолитов (включений) магматических пород, имеющих мантийное происхождение - базальтов, кимберлитов, лампроитов и некоторых других.

Важно помнить, что состав любых объектов, доступных для нсносрсдстьенного петрологического исследования, будь то офиолиты, метеориты или глубинные породы, всё равно не идентичен составу современной мантии Земли. Последний может быть лишь модельным, восстановленным с определенной долей вероятности, которая, разумеется, тем выше, чем обширнее источники информации, которые мы используем для моделирования

Наиболее правомерный подход к изучению состава верхней мантии - задаться вопросом, из какого вещества могут образоваться базальты. Эти породы, несомненно, имеют первично мантийное происхождение и. кроме того слагают почти всю океанскую кору и чрезвычайно широко распространены на суше (в отличие, например, от кимберлитов или лампроитов. которые хотя и имеют более тесное "родство" с мантией, но зато распространены в земной коре несравненно меньше, чем базальты). Поиски такого исходного вещества сводятся к выбору между двумя типами пород - перидотитами и эклогитами. Главное различие между ними состоит в том, что эклогит - метаморфическая порода, содержащая больше граната (как минимум 30%) и относительно мало оливина, в то время как в перидотите - собирательном названии обширной группы ультраосновных пород, наоборот, преобладают оливин (около 80%) и пироксен В обеих породах при температурах и давлениях, характерных для верхней мантии, обеспечивается распространение Р -волн со скоростью около 8 км/с.

Несколько фактов свидетельствуют в пользу перидотитового состава верхней мантии. Во-первых, под океанами выявлена анизотропия скоростей сейсмических волн в верхней мантии, при которой скорости в направлении, перпендикулярном срединно-океанским хребтам, на 15% выше, чем в направлении их простирания. Это объясняется ориентировкой кристаллов оливина. длинные оси которых вытянуты в одном направлении, в то время как в эклогите отсутствуют породообразующие минералы со сколько-нибудь сильной анизотропией роста. Во-вторых, именно измененный перидотит присутствует в нижней части офиолитовых комплексов, а также во включениях базальтов. В-третьих, плотность эклогитов слишком велика, чтобы обеспечить изостазию океанской литосферы.

При восстановлении среднего состава мантии следует учитывать, что её верхние слои могут быть деплетированными (обеднёнными, истощёнными) в результате того, что часть первичных компонентов мантии выплавилась и ушла на формирование океанской коры. С этой точки зрения состав верхней мантии непосредственно под срединно-океанскими хребтами (т.е. как раз там. где она ближе всего подходит к земной поверхности должен существенно отличаться от её среднего состава.

Три варианта модельного состава мантии.

В настоящее время предложено несколько вариантов молельного состава мантии. В простейшем из них она состоит из трёх частей дунита (мономинеральной породы, целиком состоящей из оливина и представляющей полностью деплетированную мантию) и одной части базальта. Такая гипотетическая порода называется пиролитом (пироксен-оливиновой породой) и существует в нескольких формах в зависимости от температуры и давления Нормальная форма пироксенового пиролита характерна для глубин до 80 км (самая верхняя часть мантии под океанами), глубже, на глубинах 80 400 км (до границы Леман), она переходит в гранатовый пиролит.

В отличие от теоретической пиролитовой модели мантии более сложные модели, основывающиеся преимущественно на экспериментальных определениях состава пород, имеющих мантийное происхождение, предполагают в качестве исходного вещества недеплетированной мантии гранатовый лерцолит - ультраосновную породу, в которой преобладает оливин (около 60%) с добавкой пироксена (около 30%), а среди второстепенных компонентов - шпинель, гранат и плагиоклаз.

Наконец, существуют модели мантии, берущие в качестве исходного вещества Земли состав метеоритов, представленных углистыми и железистыми хондритами, а затем постулирующие уход ряда элементов в ядро (железо) и кору (кремний, калий), в результате чего после дифференциации первично гомогенной хондритовой Земли на оболочки остаётся мантия, состоящая из хондритовых силикатов.

Таблица 14.1. в которой приведен средний состав мантии по трём моделям, демонстрирует замечательную особенность, а именно - сходство абсолютно независимых оценок модельного состава мантии - пиролитовой. лерцолитовой и хондритовой. Видно, что независимо от принятой модели по крайней мере на 90% мантия состоит из окислов кремния, магния и двухвалентного железа. Ещё 5 - 10% представлены окислами кальция, алюминия и натрия. Таким образом, на 98% мантия состоит всего из шести перечисленных окислов.

С удержания радиоактивных элементов в мантии ещё более ничтожны, чем в океанской коре: в среднем около 10^-8 U, 10^-7% Тh и 10^-6 % К.

При более тонком послойном расчленении мантии в ней выделяется зона пониженных скоростей (верхняя астеносфера), ограниченная на глубине 400 км разделом Леман. Помимо значительного уменьшения скоростей Р- и S -волн, эта зона характеризуется также повышенной электропроводностью (пониженным сопротивлением). Причинами перечисленных эффектов служат наличие в верхней астеносфере небольших (первые проценты) порций базальтового расплава, а также присутствие в ней воды, очень незначительное количество которой (десятые доли процента) тем не менее резко понижает температуру плавления силикатов.

Таблица 14.1. Химический состав мантии Земли

Таким образом, положение подошвы верхней астеносферы (границы Леман) контролируется той глубиной, выше которой в мантии может присутствовать свободная вода. Каким бы невероятным ни показалось на первый взгляд, что вода может присутствовать в какой-бы то ни было форме глубоко в мантии, последняя состоит в том числе из минералов, содержащих кристаллизационную воду, которая заключена в их силикатных структурах в виде гидроксильных групп (роговая обманка, флогопит и др.). При условии, что эти минералы присутствуют в породе хотя бы в виде незначительных примесей, при малейших изменениях термического режима они будут подвергаться разложению, в результате чего высвободится вода и станет возможным плавление верхней мантии, которое без присутствия свободной воды было бы невозможным.

Фазовые переходы в мантии.

Нижняя астеносфера ограничивается двумя скоростнымиразделами сверху и снизу, соответственно на глубинах 400 и 670 км Поскольку они достаточно резкие и наблюдаются в узком диапазоне глубин, то, скорее всего, связаны с фазовыми, чем с химическими изменениями.

Предположение о том. что расслоённость мантии обусловлена фазовыми переходами силикатных минералов, не затрагивающими их химический состав, было высказано ещё в 1930-х годах, но доказать это не удавалось из-за трудностей технического характера: до конца 1960-х годов было невозможно получить в лабораторных условиях те давления и температуры, которые существуют в мантии на глубинах более 200 км. Сейчас данная задача решена, и фазовые переходы в мантии представляются следующим обпазом (см. рисунок 14.1).

Рис. 14.1 Фазовые переходы в мантии.

Цифры - значения плотности, г/см³; в скобках - содержание минеральных структур, %.

До глубины 400 км (верхняя астеносфера) мантия состоит из 57% оливина. 29% пироксена и 14% граната (лерцолитовая модель) и имеет плотность около 3,38 г/см³ На глубине 400 км оливин переходит в шпинель, а пироксен почти полностью - в гранат, в результате чего в интервале 400 - 670 км (нижняя астеносфера) образуется однородное вещество, состоящее из 57% шпинели, 39% граната и 4% пироксенов высокого давления. Плотность мантии в этом интервале увеличивается до 3.66 т/см³. Следующий фазовый переход имеет место на глубине 670 км (граница верхней и нижней мантии): шпинель и входящие в состав граната силикаты магния, железа и алюминия принимают структуру ильменита (91%). а находящийся в составе граната силикат кальция и пироксены - структуру перовскита (9%). Последняя однородная смесь со средней плотностью в верхней части около 3.99 г/см³ и представляет нижнюю мантию, в которой скорость сейсмических волн и плотность под действием давления вышележащих пород увеличивается монотонно, без скачков, до глубины 2891 км (см. рисунок 12.2).

Самые нижние 200 - 300 км мантии над разделом Гутенберга (сейсмологи выделяют их в качестве слоя D ") характеризуются небольшим снижением скоростей сейсмических волн, предположительно обусловленным возрастанием температурного градиента вблизи границы ядра и мантии. Проведенные в самые последние годы лабораторные эксперименты позволяют предполагать, что в данном слое происходит реакция внешнего ядра с силикатной мантией, в результате которой перовскит и ильменит разлагаются на чисто металлическую и неметаллическую фазы. Этот процесс дифференциации очень важен, так как именно он, согласно одной из наиболее популярных моделей, приводит к росту железистого ядра Земли и перемешиванию её мантийной оболочки, т.е. вызывает конвекцию.