ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МАНТИИ ЗЕМЛИ Потапова А.С., Андреева Н.В

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МАНТИИ ЗЕМЛИ
Потапова А.С., Андреева Н.В.
БГТУимениВ.Г.Шухова
Белгород, Россия
THE CHEMICAL COMPOSITION OF THE EARTH'S MANTLE
PotapovA.S.,AndreevaN.V.
BSTUbehalfV.G.Shukhov
Belgorod, Russia
Известно, что Земля в сейсмическом (тектоническом) смысле состоит из ядра, мантии и
коры. Рассмотрим, что такое мантия. Мантия – это часть Земли, расположенная
непосредственно под корой и выше ядра (рис. 1). Земная мантия находится в диапазоне от
30 до 2900 км от земной поверхности. Мантия Земли сложена преимущественно
перидотитами – породами, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и др.
Частичное плавление мантийных пород порождает базальтовые и им подобные расплавы,
формирующие при подъёме к поверхности земную кору [1].
Рисунок 1. Структура Земли
Границей между корой и мантией служит граница Мохоровичича или, сокращённо, Мохо.
На ней происходит резкое увеличение сейсмических скоростей – от 7 до 8-8,2 км/с.
Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми
поясами). Мантия Земли подразделяется на верхнюю мантию и нижнюю мантию. Границей
между этими геосферами служит слой Голицына, располагающийся на глубине около 670
км [2].
Выше границы 670 километров находится верхняя мантия, а ниже, соответственно, нижняя.
Эти две части мантии имеют различный состав и физические свойства. Хотя сведения о
составе нижней мантии ограничены, и число прямых данных весьма невелико, можно
уверенно утверждать, что её состав со времён формирования Земли изменился значительно
меньше, чем верхней мантии, породившей земную кору [1].
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 – 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.
- Фрагменты мантийных пород, выносимые на поверхность мантийными же расплавами —
кимберлитами, щелочными базальтами и др. Это ксенолиты, ксенокристы и алмазы.
Алмазы представляют собой самые глубокие фрагменты земли, доступные
непосредственному изучению.
- Мантийные породы в составе земной коры - такие комплексы в наибольшей степени
соответствуют мантии [2].
Мантия сложена главным образом ультраосновными породами: перовскитами,
перидотитами (лерцолитами, гарцбургитами, верлитами, пироксенитами, дунитами) и в
меньшей степени основными породами — эклогитами.
Также среди мантийных пород установлены редкие разновидности пород, не
встречающиеся в земной коре. Это различные флогопитовые перидотиты, гроспидиты,
карбонатиты. Содержание основных элементов в мантии Земли в массовых процентах
приведено в таблице 1.
Таблица 1.
Содержание основных элементов в мантии Земли в массовых процентах
Элемент Концентрация
Оксид Концентрация
O
44,8
Si
21,5
SiO2
46
Mg
22,8
MgO
37,8
Fe
5,8
FeO
7,5
Al
2,2
Al2O3
4,2
Ca
2,3
CaO
3,2
Na
0,3
Na2O
0,4
K
0,03
K2O
0,04
Сумма
99,7
Сумма
99,1
Согласно современным взглядам, в составе мантии преобладает сравнительно небольшая
группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер
в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов, а также
на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород
элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели
получили свои названия:
- пиролитовая – главные минералы – оливин, пироксены и гранат в отношении 4 : 2 : 1;
- пиклогитовая – главные минералы – пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%;
- эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой
ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Alсодержащий кианит Alଶ SiOହ.
Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии,
простирающейся до глубин ~ 670 км. В отношении валового состава более глубоких
геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к
кремнезему (МО/SiOଶ ) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)ଶ SiOସ , чем к пироксену
(Mg, Fe)ଶ SiOଷ , а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)ଶ SiOଷ с
различными структурными искажениями, магнезиовюстит (Mg, Fe)O со структурой типа
NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.
В целом минералогический состав этой части верхней мантии представляется более или
менее ясным. Если говорить о пиролитовой минеральной ассоциации, то ее преобразование
вплоть до глубин ~ 800 км исследовано достаточно детально.
Важнейший компонент химического состава зоны 400-670 км - вода, содержание которой,
по некоторым оценкам, составляет ~ 0,1 вес. % и присутствие которой в первую очередь
связывают с Mg-силикатами. Количество запасенной в этой оболочке воды столь
значительно, что на поверхности Земли оно составило бы слой мощностью 800 м [3].
Проведенные в последние два-три десятилетия исследования структурных переходов
минералов с использованием рентгеновских камер высокого давления позволили
смоделировать некоторые особенности состава и структуры геосфер глубже границы 670
км.
В настоящее время большинство исследователей согласны с идеей о том, что вся эта
глубинная (нижняя) мантия в основном состоит из перовскитоподобной фазы
(Mg, Fe)ଶ SiOଷ , на долю которой приходится около 70% ее объема (40% объема всей Земли),
и магнезиовюстита(Mg, Fe)O (~20 %). Оставшиеся 10% составляют стишовит и оксидные
фазы, содержащие Ca, Na, K, Al и Fe, кристаллизация которых допускается в структурных
типах ильменита-корунда (твердый раствор (Mg, Fe)ଶ SiOଷ-‫݈ܣ‬ଶ Oଷ ,), кубического перовскита
(CaSiOଷ ,) и Са-феррита (NaAlSiOସ ) [3].
Выделение отдельных промежуточных сейсмических границ, расположенных ниже рубежа
670, коррелирует с данными о структурных трансформациях мантийных минералов, формы
которых могут быть весьма разнообразными. Иллюстрацией изменения многих свойств
различных кристаллов при высоких значениях физико-химических параметров,
соответствующих глубинной мантии, может служить, согласно Р. Жанлозу и Р. Хейзену,
зафиксированная в ходе экспериментов при давлениях 70 гигапаскалей (ГПа) (~ 1700 км)
перестройка ионноковалентных связей вюстита в связи с металлическим типом
межатомных взаимодействий. Рубеж 1200 может соответствовать предсказанной на основе
теоретических квантово-механических расчетов и впоследствии смоделированной при
давлении ~45 ГПа и температуре ~2000 0С перестройке SiOଶ со структурой стишовита в
структурный тип CaClଶ (ромбический аналог рутила TiOଶ ), а 2000 км – его последующему
преобразованию в фазу со структурой, промежуточной между a-PbOଶ и ZrOଶ ,
характеризующуюся более плотной упаковкой кремнийкислородных октаэдров [2]. Также
начиная с этих глубин (~ 2000 км) при давлениях 80-90 ГПа допускается распад
перовскитоподобного MgSiOଷ , сопровождающийся возрастанием содержания периклаза
MgO и свободного кремнезема.
Общее заключение таково, что на таких глобальных сейсмических рубежах, как 410 и 670
км, происходят значительные изменения в минеральном составе мантийных пород.
Минеральные преобразования отмечаются также и на глубинах ~ 850, 1200, 1700, 2000 и
2200-2300 км, то есть в пределах нижней мантии. Это весьма важное обстоятельство,
позволяющее отказаться от представления об ее однородной структуре.
Литература:
1. http://lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0129270
–
Мантия
Земли
–
Энциклопедия – Фонд знаний «Ломоносов».
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Мантия_Земли – Мантия Земли – Википедия.
3. Пущаровский, Д.Ю. Пущаровский, М.Ю. Состав и строение мантии Земли.
Соросовский образовательный журнал. 1998, N11, стр. 111-119.