Шесть основных фактов про мантию Земли

Способы изучения

Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.

Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:

• скорость сейсмических волн;
• сила тяжести;
• характеристики и показатели электропроводности;
• изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.

Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.

Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.

Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.

Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.

Метод измерения теплового потока для изучения строения пла­нет

Еще один путь изучения глубинного строения Земли — это изучение ее теплового потока. Известно, что Земля, го­рячая изнутри, отдает свое тепло. О нагреве глубоких гори­зонтов свидетельствуют извержения вулканов, гейзеры, го­рячие источники. Тепло — главный энергетический источник Земли.

Прирост температуры с углублением от поверхно­сти Земли в среднем составляет около 15° С на 1 км. Это значит, что на границе литосферы и астеносферы, располо­женной примерно на глубине 100 км, температура должна быть близкой к 1500° С. Установлено, что при такой темпера­туре происходит плавление базальтов. Это означает, что астеносферная оболочка может служить источником магмы ба­зальтового состава.

С глубиной изменение температуры про­исходит по более сложному закону и находится в зависи­мости от изменения давления. Согласно расчетным данным, на глубине 400 км температура не превышает 1600° С и на границе ядра и мантии оценивается в 2500—5000° С.

Установлено, что выделение тепла происходит постоян­но по всей поверхности планеты. Тепло — важнейший физи­ческий параметр. От степени нагрева горных пород зависят некоторые их свойства: вязкость, электропроводность, магнитность, фазовое состояние. Поэтому по термическому состоянию можно судить о глубинном строении Земли.

Изме­рение температуры нашей планеты на большой глубине — задача технически сложная, так как измерениям доступны лишь первые километры земной коры. Однако внутренняя температура Земли может быть изучена косвенным путем при измерениях теплового потока.

Несмотря на то, что основным источ­ником тепла на Земле является Солнце, суммарная мощность теплового потока нашей планеты превышает в 30 раз мощность всех электростанций Земли.

Измерения показали, что средний тепловой поток на кон­тинентах и в океанах одинаков. Этот результат объясняется тем, что в океанах большая часть тепла (до 90%) поступает из мантии, где интенсивнее происходит процесс переноса вещества движущимися потоками — конвекцией.

Внутренняя температура Земли. Чем ближе к ядру, тем больше наша планета походит на Солнце!

Конвек­ция — процесс, при котором разогретая жидкость расширяет­ся, становясь легче, и поднимается, а более холодные слои опускаются. Поскольку мантийное вещество ближе по сво­ему состоянию к твердому телу, конвекция в нем протека­ет в особых условиях, при невысоких скоростях течения ма­териала.

Какова же тепловая история нашей планеты? Ее пер­воначальный разогрев, вероятно, связан с теплом, образован­ным при соударении частиц и их уплотнении в собственном поле силы тяжести. Затем тепло явилось результатом радио­активного распада. Под воздействием тепла возникла слои­стая структура Земли и планет земной группы.

Радиоактив­ное тепло в Земле выделяется и сейчас. Существует гипоте­за, согласно которой на границе расплавленного ядра Земли продолжаются и поныне процессы расщепления вещества с выделением огромного количества тепловой энергии, разо­гревающей мантию.

Список источников литературы

Континентальная кора

Литосфера взаимодействует с атмосферой, гидросферой и биосферой. В процессе синтеза они образуют самую сложную и реакционно активную оболочку Земли. Именно в тектоносфере происходят процессы, изменяющие состав и строение этих оболочек.Литосфера на земной поверхности не однородна. Она имеет несколько слоев.

1. Осадочный. Он в основном образуется горными породами. Здесь преобладают глины и сланцы, а также широко распространены карбонатные, вулканогенные и песчаные породы. В осадочных слоях можно встретить такие полезные ископаемые, как газ, нефть и каменный уголь. Все они имеют органическое происхождение.
2. Гранитный слой. Он состоит из магматических и метаморфических пород, которые наиболее близки по своей природе к граниту. Этот слой встречается далеко не везде, наиболее ярко он выражен на континентах. Здесь его глубина может составлять десятки километров.
3. Базальтовый слой образуют породы, близкие к одноименному минералу. Он более плотный, чем гранит.

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.

Многим известно, что планета Земля в сейсмическом (тектоническом) смысле состоит из ядра, мантии и литосферы (коры). Мы рассмотрим, что такое мантия. Это слой или промежуточная оболочка, которая находится между ядром и корой. Мантия составляет 83% объема планеты Земля. Если же брать вес, то 67% Земли — это мантия.

Два слоя мантии

Еще в начале двадцатого века было принято считать, что мантия однородна, но уже к середине столетия ученые пришли к выводу, что она состоит из двух слоев. Близкий к ядру слой — это нижняя мантия. Тот слой, который граничит с литосферой — верхняя мантия. Верхняя мантия уходит вглубь Земли приблизительно на 600 километров. Нижняя граница нижней мантии расположена на глубине до 2900 километров.

Из чего состоит мантия

Подобраться к мантии ученым еще не доводилось. Никакое бурение пока еще не позволило приблизиться к ней. Поэтому все исследования производятся не опытным, а теоретическим и опосредованным путем. Свои выводы о мантии земли ученые делают прежде всего на основе геофизических исследований. В расчет берутся электропроводность, сейсмические волны, скорость их распространения, сила.

Японские ученые заявляли о своих намерениях подойти к мантии земли, пробурив океанические породы, но пока их планы еще не воплощены в жизнь. На дне океана уже найдены некоторые места, где слой земной коры наиболее тонкий, то есть до верхней части мантии отсанется бурить всего-то каких-то 3000 км. Сложность заключается в том, что бурение должно проводится на дне океана и при этом буру предстоит пройти участки сверхпрочных пород, а это можно сравнить с попыткой хвостика нитки прорваться через стенки наперстка. Безусловно, возможность изучить образцы пород, взятых непосредственно из мантии, дала бы составить более точное представление о ее структуре и составе.

Алмазы и перидоты

Информативными являются и мантийные породы, которые в результате различных геофизических и сейсмических процессов оказываются на поверхности земли. Например, к мантийным породам относятся алмазы. Некоторые из них, предполагают исследователи, поднимаются из нижней мантии. Наиболее распространенные породы — это перидоты. Они часто выбрасываются в лаве извержениями вулканов. Изучение мантийных пород позволяет ученым с определенной точностью говорить о составе и основных чертах мантии.

Жидкое состояние и вода

Составляют мантию силикатные породы, которые насыщены магнием и железом. Все вещества, составляющие мантию, пребывают в раскаленном. расплавленном, жидком состоянии, ведь температура этого слоя достаточно велика — до двух с половиной тысяч градусов. Вода также входит в состав мантии Земли. В количественном отношении ее там в 12 раз больше, чем в мировом океане. Запас воды в мантии таков, что если бы ее выплеснуть на поверхность земли, то вода поднялась бы над поверхностью на 800 метров.

Процессы в мантии

Граница мантии не представляет собой ровную линию. Наоборот, в некоторых местах, например, в районе Альп, на дне океанов, мантийные, то есть относящиеся к мантии породы подступают довольно близко к поверхности Земли. Именно физические и химические процессы, которые протекают в мантии, оказывают влияние на то, что происходит в земной коре и на поверхности земли. Речь идет об образовании гор, океанов, движении материков.

И ядром из расплавленного железа. Она занимает основную часть Земли, составляя две трети массы планеты. Мантия начинается на глубине около 30 километров и достигает 2900 километров.

Функции земной коры

К основным функциям земной коры принято относить:

• ресурсную;
• геофизическую;
• геохимическую.

Первая из них обозначает наличие ресурсного потенциала Земли. Он представляет собой в первую очередь совокупность запасов полезных ископаемых, находящихся в литосфере. Кроме того, ресурсная функция включает в себя ряд факторов среды обитания, обеспечивающих жизнь человека и других биологических объектов. Одним из них является тенденция образования дефицита твердой поверхности.

так делать нельзя. спасем нашу Землю фото

Тепловые, шумовые и радиационные эффекты реализуют геофизическую функцию. Например, возникает проблема естественного радиационного фона, который на земной поверхности в основном безопасен. Однако в таких странах как Бразилия и Индия он в сотни раз может превышать допустимый. Считается, что его источником является радон и продукты его распада, а также некоторые виды человеческой деятельности.

Геохимическая функция связана с проблемами химического загрязнения, вредного для человека и других представителей животного мира. В литосферу попадают различные вещества, обладающие токсическими, канцерогенными и мутагенными свойствами.

Они безопасны, когда находятся в недрах планеты. Извлеченные из них цинк, свинец, ртуть, кадмий и другие тяжелые металлы могут представлять большую опасность. В переработанном твердом, жидком и газообразном виде они попадают в окружающую среду.

Планета

В недрах нашей планеты постоянно происходят различные реакции, заметить их невооруженным глазом, само собой, нельзя, но вот их последствия люди ощущали всегда. Наиболее яркие их проявления — это землетрясения и их «спутники»: цунами, извержения вулканов и прочее. Условно внутреннее строение нашей планеты можно разделить на три слоя, это кора, мантия и ядро. Так что такое

Как уже было сказано, мантия — это слой, который встречается только у планет земной группы и расположен он между корой поверхности и внутренним ядром небесного тела. По предположению ученых, образуется она в результате процессов отделения металлических частей от первичного вещества планеты и ухода их в глубину, а продукты плавления подобных веществ в результате и образуют кору тела. Так что теперь мы выяснили, что такое мантия Земли. На нашей планете состоит она в основном из перидотитов.

Как упоминалось ранее, планетные мантии характерны не только для Земли, ее имеют практически все иные известные небесные тела так называемой земной группы — Луна, Венера, Марс. А вот Меркурию повезло меньше: в результате сильной метеоритной бомбардировки вся кора и значительная часть мантии были уничтожены.

На Венере же мантия отличается от земной гораздо большей температурой, а вместо в недрах нашей небесной соседки присутствуют плюмовые течения. Так что мы разобрались в вопросе о том, что такое мантия геологическая. Теперь же рассмотрим иные значения этого слова.

Как формировалось знание о мантии?

В начале 20-го века интенсивно обсуждалась граница Мохоровича. Некоторые исследователи считали, что именно там происходит метаморфический процесс, при котором формируются породы с высокой плотностью. Другие ученые объясняли резкое увеличение скорости движения сейсмических волн сменой содержания состава пород от относительно лёгких к более тяжёлым типам.

Сейчас эта точка зрения считается основной в понимании и методах исследования процессов, происходящих внутри планеты. Сама мантия Земли непосредственно недоступна для прямых исследований по причине глубокого залегания, и она не выходит на поверхность.

Поэтому основная информация получена геохимическими и геофизическими способами. В целом реконструкция через имеющиеся источники — весьма сложная задача. Мантия, принимающая излучение из центра, разогрета от 800 градусов наверху до 2000 градусов около ядра. Предполагается, собственно, что вещество мантии пребывает в беспрерывном движении.

Структура и характеристики ядра

Путь к знаниям долгий и тернистый, но плоды их сладки. На сегодняшний день достоверно известны следующие физические характеристики ядра Земли:

Температура ядра Земли в центральной точке может доходить до 6000 градусов Цельсия — это столько же, как на поверхности Солнца! Но в отличие от светила, энергией глубины питают не ядерные реакции, а гравитация. Точнее, ее сжатие — давление в ядре превышает атмосферное в 3,5 миллиона раз, достигая отметки в 360 гигапаскаль. Хотя процессы атомного распада в глубинах Земли происходят, их вклад не столь большой. Да и без громадного сжатия они были бы вялотекущими и не столь продуктивными.

Классические основные сферы Земли

• Ядро Земли достигает 7000 километров в поперечнике — это больше не только Луны, но и Марса! Оно занимает не так много места внутри нашей планеты — около 15% объема — но зато его масса в 1,932 × 1024 килограмм составляет 30% от всей массы Земли.
• Оказывается, что разные слои ядра вращаются в разные стороны. Сегодня считается, что внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее — с запада на восток, при этом еще и быстрее Земли. Впрочем, разница не очень значительная — за год оно опережает планету всего на четверть градуса

Кроме того, новейшие исследования говорят о том, что внутри внутреннего ядра Земли лежит еще одно — «самое» внутреннее ядро, которое вращается вообще по другой оси. Давайте рассмотрим его и другие составляющие земного ядра подробнее.

Внешнее ядро

Самый первый слой ядра, который непосредственно контактирует с мантией — это внешнее ядро. Его верхняя граница находится на глубине 2,3 тысячи километров под уровнем моря, а нижняя — на глубине 2900 километров. По составу оно ничем не отличается от нижележащих оболочек — давления гравитации попросту недостаточно для того, чтобы раскаленный металл затвердел. Зато его жидкое состояние является главным козырем Земли в сравнении с другими внутренними планетами Солнечной системы.

Как работает геодинамо

Дело в том, что именно жидкая часть ядра ответственна за возникновение магнитного поля Земли. Как наверняка известно читателю, магнитосфера служит щитом планеты против заряженных частиц открытого космоса и солнечного ветра. Они даже более опасны, чем излучение — частицы способны вывести из строя не только живые организмы, но и электронику. Биологи считают, что именно активное магнитное поле стало залогом выживания первобытных одноклеточных существ.

Как именно генерируется магнитное поле? Его порождает вращение жидкого железа и никеля в ядре. Магнитные свойства металлов тут ни при чем — это исключительно динамический эффект. А еще внешнее ядро подогревает мантию — причем в отдельных местах настолько сильно, что восходящие потоки магмы достигают даже поверхности, вызывая извержения вулканов.

Внутреннее ядро

Внутри жидкой оболочки находится внутреннее ядро. Это твердая сердцевина Земли, диаметр которой составляет 1220 километров — такой же размер у Харона, спутника-напарника Плутона. Эта часть ядра очень плотная — средняя концентрация вещества достигает 12,8–13г/см3, что в два раза больше густоты железа, и горячая — накал достигает знаменитых 5–6 тысяч градусов по Цельсию.

Высокое давление в центре Земли заставляет металл затвердевать при температурах, превышающих точку его кипения. При этом формируются необычные кристаллы, которые отличаются устойчивостью даже в обычных условиях. Считается, что внутреннее ядро представляет собой лес из многокилометровых кристаллов железа и никеля, которые направлены с юга на север. Для того чтобы проверить эту теорию, японские ученые потратили десять лет на создание особой алмазной наковальни — только в ней можно добиться такого давления и температуры, как в центре нашей планеты.

«Внутреннее» внутреннее ядро, или гипотетическая матрешка

Еще во время начальных исследований ядра при помощи сейсмических волн, геологи заметили необычное отклонение колебаний внутри ядра по направлению с востока на запад

Так как из-за своего вращения Земля шире на экваторе, чем на полюсах, сперва на это не обратили внимание. Но последующее изучение выявило, что центральная часть ядра может быть всего лишь очередной оболочкой

Что представляет собой «внутреннее» внутреннее ядро? Скорее всего, оно состоит из тех же металлических кристаллов — но направленных уже не на север, а на запад. Пока что неясно, что вызывает такое расслоение. Однако ориентация кристаллов указывает на то, что тут не обошлось без гравитационных взаимодействий с Солнцем или Луной.

«Внутреннее» внутреннее ядро в строении Земли

Давление и температура

Распределение давления в пределах мантии неоднозначно, собственно как и температурного режима, но обо всем по порядку. На долю мантии приходится больше половины веса планеты, а если сказать точнее, то 67%. В участках под земной корой давление составляет около 1,3-1,4 млн.атм., при этом, следует отметить, что в местах, где расположены океаны, уровень давления существенно спадает.

Что же касается температурного режима, то здесь данные вовсе неоднозначны и базируются только на теоретических предположениях. Так, у подошвы мантии предполагается температура в 1500-10 000 градусов по Цельсию. В целом, ученые предположили, что температурный уровень на данном участке планеты более близок к температуре плавления.

Под земной корой расположен следующий слой, именуемый мантией. Он окружает ядро планеты и имеет толщину почти три тысячи километров. Строение мантии Земли очень сложное, поэтому требует детального изучения.

Температура земной коры

Важным энергетическим источником для обитателей Земли является тепло ее коры.
Температура увеличивается по мере углубления в нее. Самый близкий к поверхности 30-метровый слой, именуемый гелиометрическим, связан с теплом солнца и колеблется в зависимости от сезона.

В следующем, более тонком слое, который увеличивается в континентальном климате, температура постоянна и соответствует показателям конкретного места измерения.
В геотермическом слое коры температура связана с внутренним теплом планеты и растет по мере углубления в нее. Она в разных местах разная и зависит от состава элементов, глубины и условий их расположения.

Считается, что температура в среднем повышается на три градуса по мере углубления на каждые 100 метров. В отличие от континентальной части температура под океанами растет быстрее.
После литосферы располагается пластичная высокотемпературная оболочка, температура, которой составляет 1200 градусов. Называется она астеносферой. В ней есть места с расплавленной магмой.

Проникая в земную кору, астеносфера может изливать расплавленную магму, вызывая явления вулканизма.

Литосфера

Верхушка мантии, располагающаяся на жаркой астеносфере, в тандеме с земной корой нашей планеты образует прочный корпус — литосферу. В переводе с греческого языка — камень. Она не является цельной, а состоит из литосферных плит.

Их количество — тринадцать, хотя оно не остается постоянным. Движутся они очень медленно, до шести сантиметров в год.

Их совокупные разнонаправленные движения, которые сопровождаются разломами с образованием бороздок земной коры, носят название тектонические.

Этот процесс активируется за счет постоянной миграции составляющих мантии.

Поэтому происходят вышеупомянутые подземные толчки, существуют вулканы, глубоководные впадины, хребты.

Особенности состава ядерной части Земли

Ядро Земли, как и любой другой объект, имеет определённый состав, однако данных о нём немного. Об этом имеются лишь косвенные сведения, которые были получены различными путями. Вероятнее всего, наиболее близкий состав имеют метеориты из железа, это своего рода элементы астероидных ядер. Однако они не могут обеспечить детальное представление о веществе, из которого земное ядро состоит. Ведь образование их произошло в значительно меньших телах и иных условиях.

Химический состав ядра

Наряду с этим были проведены сейсмические исследовательские работы. В рамках их организации учёные смогли получить наиболее точную информацию о размерных характеристиках ядра, а также о плотности. Всё это наложило дополнительные ограничения на состав. Дело в том, что ядерная плотность на 5-10% ниже, нежели идентичный показатель сплавов из железа и никеля. Однако наиболее вероятны следующие вещества:

• кислород;
• сера;
• углерод;
• кремний;
• водород;
• фосфор;
• другие материалы с похожими свойствами и характеристиками.

Наряду с этим ядро Земли, а точнее его состав, может быть оценён в соответствии с геохимическими и космохимическими предпосылками. Если бы была возможность определения первичного состава Земли и вычисления доли элементов, приходящихся на прочие геосферы, возникли бы шансы на построение схем состава ядра. Помощь и поддержку в этом направлении обеспечивают эксперименты, связанные с распределением элементов между железными материалами и фазами силикатов.

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 — перовскиты , 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:

1. Альпинотипные гипербазиты — части мантии, внедренные в земную кору в результате горообразования. Наиболее распространены в Альпах , от которых и произошло название.
2. Офиолитовые гипербазиты — передотиты в составе офиолитовых комлексов — частей древней океанической коры .
3. 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».