Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Состав и строение мантии Земли

Голосов: 0

Рассматриваются строение и состав мантии Земли. На основании анализа сейсмотомографических карт, а также данных о вещественном составе мантия делится на несколько концентрических оболочек вместо традиционно выделяемых двух: верхней и нижней.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                                 COMPOSITION                   СОСТАВ И СТРОЕНИЕ
                                             AND STRUCTURE
                                             OF THE EARTH’S MANTLE         МАНТИИ ЗЕМЛИ
                                             D. Yu. PUSHCHAROVSKY,         С. ы. имфДкйЗлдав,
                                             Yu. M. PUSHCHAROVSKY
                                                                           ы. е. имфДкйЗлдав
                                                                           еУТНУ‚ТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                                             The concepts of mantle        ЛП. е.З. гУПУМУТУ‚‡
                                             structure and composi-
                                             tion is reviewed. The new
                                             mantle model based on                ЗЗЦСЦзаЦ
                                             the most recent seismoto-               Состав и строение глубинных оболочек Земли в
                                                                                  последние десятилетия продолжают оставаться од-
                                             mographic data and on                ной из наиболее интригующих проблем современ-
                                             the phase transition stud-           ной геологии. Число прямых данных о веществе
                                             ies of mantle minerals is            глубинных зон весьма ограниченно. В этом плане
                                                                                  особое место занимает минеральный агрегат из
                                             reported. Several concen-            кимберлитовой трубки Лесото (Южная Африка),
                                             tric layers can be revealed          который рассматривается как представитель ман-
                                             in the mantle, since the             тийных пород, залегающих на глубине ∼ 250 км.
                                                                                  Керн, поднятый из самой глубокой в мире скважи-
                                             previous model divides               ны, пробуренной на Кольском полуострове и до-
                                             its subdivision only as              стигшей отметки 12 262 м, существенно расширил
                                             upper and lower layers.              научные представления о глубинных горизонтах
                                                                                  земной коры – тонкой приповерхностной пленке
                                                                                  земного шара. Вместе с тем новейшие данные гео-
                                             к‡ТТП‡Ъ Л‚‡˛ЪТfl ТЪ УВ-               физики и экспериментов, связанных с исследова-
                                             МЛВ Л ТУТЪ‡‚ П‡МЪЛЛ                  нием структурных превращений минералов, уже
                                                                                  сейчас позволяют смоделировать многие особенно-
                                             бВПОЛ. з‡ УТМУ‚‡МЛЛ                  сти строения, состава и процессов, происходящих в
                                             ‡М‡ОЛБ‡ ТВИТПУЪУПУ„ ‡-               глубинах Земли, знание которых способствует ре-
                                             ЩЛ˜ВТНЛı Н‡ Ъ, ‡ Ъ‡НКВ               шению таких ключевых проблем современного ес-
                                                                                  тествознания, как формирование и эволюция пла-
                                             ‰‡ММ˚ı У ‚В˘ВТЪ‚ВММУП                неты, динамика земной коры и мантии, источники
                                             ТУТЪ‡‚В П‡МЪЛfl ‰ВОЛЪТfl               минеральных ресурсов, оценка риска захоронения
                                             М‡ МВТНУО¸НУ НУМˆВМЪ-                опасных отходов на больших глубинах, энергетиче-
                                                                                  ские ресурсы Земли и др.
                                              Л˜ВТНЛı У·УОУ˜ВН ‚ПВ-
© иЫ˘‡ У‚ТНЛИ С.ы., иЫ˘‡ У‚ТНЛИ ы.е., 1998




                                             ТЪУ Ъ ‡‰ЛˆЛУММУ ‚˚‰В-                лЦвлеауЦлдДь ейСЦгъ лнкйЦзаь бЦега
                                             ОflВП˚ı ‰‚Ыı: ‚В ıМВИ Л                   Широко известная модель внутреннего строе-
                                             МЛКМВИ.                              ния Земли (деление ее на ядро, мантию и земную
                                                                                  кору) разработана сейсмологами Г. Джеффрисом и
                                                                                  Б. Гутенбергом еще в первой половине XX века. Ре-
                                                                                  шающим фактором при этом оказалось обнаруже-
                                                                                  ние резкого снижения скорости прохождения сейс-
                                                                                  мических волн внутри земного шара на глубине
                                                                                  2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость про-
                                                                                  хождения продольных сейсмических волн непосред-
                                                                                  ственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а
                                                                                  под ним – 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и яд-
                                                                                  ра. Соответственно радиус ядра составляет 3471 км.
                                                                                      Верхней границей мантии служит сейсмический
                                                                                  раздел Мохоровичича (Мохо, М), выделенный юго-
                                                                                  славским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857–
                                                                                  1936) еще в 1909 году. Он отделяет земную кору
                                                                                  от мантии. На этом рубеже скорости продольных


                                                                           имфДкйЗлдав С.ы., имфДкйЗлдав ы.е. лйлнДЗ еДзнаа бЦега       111


      волн, прошедших через земную кору, скачкообраз-        С – зона 413–984 км, D – зона 984–2898 км, Е –
      но увеличиваются с 6,7–7,6 до 7,9–8,2 км/с, однако     2898–4982 км, F – 4982–5121 км, G – 5121–6371 км
      происходит это на разных глубинных уровнях. Под        (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмически-
      континентами глубина раздела М (то есть подошвы        ми характеристиками. Позднее зону D он разделил
      земной коры) составляет первые десятки километ-        на зоны D' (984–2700 км) и D" (2700–2900 км). В на-
      ров, причем под некоторыми горными сооружени-          стоящее время эта схема значительно видоизменена
      ями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда         и лишь слой D" широко используется в литературе.
      как под океанскими впадинами, включая и толщу          Его главная характеристика – уменьшение гради-
      воды, глубина равна лишь 10–12 км. Вообще же           ентов сейсмических скоростей по сравнению с вы-
      земная кора в этой схеме вырисовывается как тон-       шележащей областью мантии.
      кая скорлупа, в то время как мантия распространя-          Внутреннее ядро, имеющее радиус 1225 км, твер-
      ется в глубину на 45% земного радиуса.                 дое и обладает большой плотностью – 12,5 г/см3.
                                                             Внешнее ядро жидкое, его плотность 10 г/см3. На
         Но в середине XX века в науку вошли представ-       границе ядра и мантии отмечается резкий скачок не
      ления о более дробном глубинном строении Земли.        только в скорости продольных волн, но и в плотно-
      На основании новых сейсмологических данных             сти. В мантии она снижается до 5,5 г/см3. Слой D",
      оказалось возможным разделить ядро на внутрен-         находящийся в непосредственном соприкоснове-
      нее и внешнее, а мантию – на нижнюю и верхнюю          нии с внешним ядром, испытывает его влияние, по-
      (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распрост-     скольку температуры в ядре значительно превыша-
      ранение, используется и в настоящее время. Начало      ют температуры мантии. Местами данный слой
      ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен,        порождает огромные, направленные к поверхности
      предложивший в начале 40-х годов схему разделе-        Земли сквозьмантийные тепломассопотоки, назы-
      ния Земли на зоны, которые обозначил буквами: А –      ваемые плюмами. Они могут проявляться на пла-
      земная кора, В – зона в интервале глубин 33–413 км,    нете в виде крупных вулканических областей, как,
                                                             например, на Гавайских островах, в Исландии и
                                        Кора                 других регионах.
                 ца М
            Грани                                       км
                                                                 Верхняя граница слоя D" неопределенна; ее уро-
                                                       0
                                                       30    вень от поверхности ядра может варьировать от 200
                        Верхняя мантия
                                                       410   до 500 км и более. Таким образом, можно заклю-
                                                      670    чить, что данный слой отражает неравномерное и
                                                             разноинтенсивное поступление энергии ядра в об-
                                                             ласть мантии.
                                                                 Границей нижней и верхней мантии в рассматри-
                        Нижняя мантия                        ваемой схеме служит сейсмический раздел, лежа-
                              D'                             щий на глубине 670 км. Он имеет глобальное распро-
                                                             странение и обосновывается скачком сейсмических
                                                             скоростей в сторону их увеличения, а также возрас-
                                                             танием плотности вещества нижней мантии. Этот
                                        D''
                                                             раздел является также и границей изменений мине-
                                               2900
                                                             рального состава пород в мантии.
                                                                 Таким образом, нижняя мантия, заключенная
                           Внешнее                           между глубинами 670 и 2900 км, простирается по ра-
                             я д ро                          диусу Земли на 2230 км. Верхняя мантия имеет хо-
                                                             рошо фиксирующийся внутренний сейсмический
                                                             раздел, проходящий на глубине 410 км. При перехо-
                                                             де этой границы сверху вниз сейсмические скоро-
                                                             сти резко возрастают. Здесь, как и на нижней грани-
                                                             це верхней мантии, происходят существенные
                                                             минеральные преобразования.
                                        5146                     Верхнюю часть верхней мантии и земную кору
                          Внутреннее                         слитно выделяют как литосферу, являющуюся верх-
                             ядро
                                                             ней твердой оболочкой Земли, в противоположность
                                                             гидро- и атмосфере. Благодаря теории тектоники
                                                             литосферных плит термин “литосфера” получил
                                                             широчайшее распространение. Теория предполагает
                                      6371
                                                             движение плит по астеносфере – размягченном, час-
                                                             тично, возможно, жидком глубинном слое понижен-
            Рис. 1. Схема глубинного строения Земли          ной вязкости. Однако сейсмология не показывает


112                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1998


выдержанной в пространстве астеносферы. Для            сфер, конечно, еще далека от окончательного реше-
многих областей выявлены несколько астеносфер-         ния, однако новые экспериментальные результаты
ных слоев, расположенных по вертикали, а также         и идеи существенно расширяют и детализируют со-
прерывистость их по горизонтали. Особенно опре-        ответствующие представления.
деленно их чередование фиксируется в пределах
                                                           Согласно современным взглядам, в составе ман-
континентов, где глубина залегания астеносферных
                                                       тии преобладает сравнительно небольшая группа
слоев (линз) варьирует от 100 км до многих сотен.
                                                       химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Пред-
Под океанскими абиссальными впадинами астено-
                                                       лагаемые модели состава геосфер в первую очередь
сферный слой лежит на глубинах 70–80 км и менее.
                                                       основываются на различии соотношений указан-
Соответственно нижняя граница литосферы фак-
                                                       ных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8–0,9;
тически является неопределенной, а это создает
                                                       (Mg + Fe)/Si = 1,2–1,9), а также на различиях в со-
большие трудности для теории кинематики лито-
                                                       держании Al и некоторых других более редких для
сферных плит, что и отмечается многими исследо-
                                                       глубинных пород элементов. В соответствии с хи-
вателями.
                                                       мическим и минералогическим составом эти моде-
   Таковы основы представлений о строении Земли,       ли получили свои названия: пиролитовая (главные
сложившиеся к настоящему времени. Далее обра-          минералы – оливин, пироксены и гранат в отноше-
тимся к новейшим данным в отношении глубинных          нии 4 : 2 : 1), пиклогитовая (главные минералы –
сейсмических рубежей, представляющих важней-           пироксен и гранат, а доля оливина снижается до
шую информацию о внутреннем строении планеты.          40%) и эклогитовая, в которой наряду с характер-
                                                       ной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциа-
лйЗкЦеЦззхЦ СДззхЦ й лЦвлеауЦлдап                      цией присутствуют и некоторые более редкие ми-
ЙкДзасДп                                               нералы, в частности Al-содержащий кианит Al2SiO5
   Чем больше проводится сейсмологических ис-          (до 10 вес. %). Однако все эти петрологические мо-
следований, тем больше появляется сейсмических         дели относятся прежде всего к породам верхней
границ. Глобальными принято считать границы            мантии, простирающейся до глубин ∼ 670 км. В от-
410, 520, 670, 2900 км, где увеличение скоростей       ношении валового состава более глубоких геосфер
сейсмических волн особенно заметно. Наряду с ни-       лишь допускается, что отношение оксидов двухва-
ми выделяются промежуточные границы: 60, 80, 220,      лентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO2)
330, 710, 900, 1050, 2640 км [1]. Дополнительно име-   ∼ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)2SiO4 , чем
ются указания геофизиков на существование гра-         к пироксену (Mg, Fe)SiO3 , а среди минералов преоб-
ниц 800, 1200–1300, 1700, 1900–2000 км. Н.И. Пав-      ладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO3 с различ-
ленковой недавно в качестве глобальной выделена        ными структурными искажениями, магнезиовюстит
граница 100, отвечающая нижнему уровню разде-          (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые дру-
ления верхней мантии на блоки. Промежуточные           гие фазы в значительно меньших количествах.
границы имеют разное пространственное распро-             Все предложенные модели весьма обобщенные
странение, что свидетельствует о латеральной из-       и гипотетичные. Пиролитовая модель верхней ман-
менчивости физических свойств мантии, от которых       тии с преобладанием оливина предполагает ее значи-
они и зависят. Глобальные границы представляют         тельно большую близость по химическому составу со
иную категорию явлений. Они отвечают глобальным        всей более глубокой мантией. Наоборот, пиклогито-
изменениям мантийной среды по радиусу Земли.           вая модель предполагает существование определен-
   Отмеченные глобальные сейсмические границы          ного химического контраста между верхней и осталь-
используются при построении геологических и ге-        ной мантиями. Более частная эклогитовая модель
одинамических моделей, в то время как промежу-         допускает присутствие в верхней мантии отдельных
точные в этом смысле пока внимания почти не            эклогитовых линз и блоков.
привлекали. Между тем различия в масштабах и
интенсивности их проявления создают эмпиричес-            Большой интерес представляет попытка согла-
кую основу для гипотез, касающихся явлений и           совать структурно-минералогические и геофизиче-
процессов в глубинах планеты.                          ские данные, относящиеся к верхней мантии. Уже
                                                       около 20 лет допускается, что увеличение скоростей
   Ниже рассмотрим, каким образом геофизичес-
                                                       сейсмических волн на глубине ∼ 410 км преимущест-
кие рубежи соотносятся с полученными в послед-
                                                       венно связано со структурной перестройкой оливина
нее время результатами структурных изменений
                                                       α-(Mg, Fe)2SiO4 в вадслеит β-(Mg, Fe)2SiO4 , сопро-
минералов под влиянием высоких давлений и тем-
                                                       вождающейся образованием более плотной фазы с
ператур, значения которых соответствуют условиям
                                                       большими значениями коэффициентов упругости.
земных глубин.
                                                       Согласно геофизическим данным, на таких глубинах
                                                       в недрах Земли скорости сейсмических волн возра-
лйлнДЗ ЗЦкпзЦв еДзнаа                                  стают на 3–5%, тогда как структурная перестройка
   Проблема состава, структуры и минеральных ас-       оливина в вадслеит (в соответствии со значениями
социаций глубинных земных оболочек или гео-            их модулей упругости) должна сопровождаться


имфДкйЗлдав С.ы., имфДкйЗлдав ы.е. лйлнДЗ а лнкйЦзаЦ еДзнаа бЦега                                            113


      увеличением скоростей сейсмических волн при-               ным. Если говорить о пиролитовой минеральной ас-
      мерно на 13%. Вместе с тем результаты эксперимен-          социации (табл. 1), то ее преобразование вплоть до
      тальных исследований оливина и смеси оливин–               глубин ∼ 800 км исследовано достаточно детально и в
      пироксен при высоких температурах и давлениях              обобщенном виде представлено на рис. 2. При этом
      выявили полное совпадение рассчитанного и экс-             глобальной сейсмической границе на глубине 520 км
      периментального увеличения скоростей сейсмиче-             соответствует перестройка вадслеита β-(Mg, Fe)2SiO4
      ских волн в интервале глубин 200–400 км. Посколь-          в рингвудит – γ-модификацию (Mg, Fe)2SiO4 со
      ку оливин обладает примерно такой же упругостью,           структурой шпинели. Трансформация пироксен
      как и высокоплотные моноклинные пироксены,                 (Mg, Fe)SiO3      гранат Mg3(Fe, Al, Si)2Si3O12 осуще-
      эти данные должны были бы указывать на отсутст-            ствляется в верхней мантии в более широком интер-
      вие в составе нижележащей зоны граната, обладаю-           вале глубин. Таким образом, вся относительно гомо-
      щего высокой упругостью, присутствие которого в            генная оболочка в интервале 400–600 км верхней
      мантии неизбежно вызвало бы более значительное             мантии в основном содержит фазы со структурными
      увеличение скоростей сейсмических волн. Однако             типами граната и шпинели.
      эти представления о безгранатовой мантии вступа-
      ли в противоречие с петрологическими моделями ее              Все предложенные в настоящее время модели
      состава.                                                   состава мантийных пород допускают содержание в
                                                                 них Al2O3 в количестве ∼ 4 вес. %, которое также
         Так появилась идея о том, что скачок в скоростях        влияет на специфику структурных превращений.
      сейсмических волн на глубине 410 км связан в ос-           При этом отмечается, что в отдельных областях не-
      новном со структурной перестройкой пироксен –              однородной по составу верхней мантии Al может
      гранат внутри обогащенных Na частей верхней                быть сосредоточен в таких минералах, как корунд
      мантии. Такая модель предполагает почти полное             Al2O3 или кианит Al2SiO5 , который при давлениях и
      отсутствие конвекции в верхней мантии, что проти-
      воречит современным геодинамическим представ-
      лениям. Преодоление этих противоречий можно                                                            Давление, ГПа
      связать с недавно предложенной более полной мо-                                                       10             20
                                                                            10
      делью верхней мантии [2], допускающей вхождение                                                                                       Mw
                                                                  Объемное содержание




      атомов железа и водорода в структуру вадслеита.
                                                                                                      Ol               MS           Sp
          В то время как полиморфный переход оливина в                                                                                     Mg-Pv
      вадслеит не сопровождается изменением химичес-
      кого состава, в присутствии граната возникает реак-                               5
      ция, приводящая к образованию вадслеита, обога-                                          Gar
                                                                                                                               Mj
      щенного Fe по сравнению с исходным оливином.                                                                                               X
      Более того, вадслеит может содержать значительно                                                     Cpx
                                                                                             Opx
      больше по сравнению с оливином атомов водорода.                                                                                       Ca-Pv
      Участие атомов Fe и Н в структуре вадслеита приво-                                0            200            400              600
      дит к уменьшению ее жесткости и соответственно                                                             Глубина, км
      уменьшению скоростей распространения сейсми-
      ческих волн, проходящих сквозь этот минерал.
      Кроме того, образование обогащенного Fe вадслеи-                                  Рис. 2. Изменение объемных пропорций минера-
                                                                                        лов пиролита при возрастании давлений (глуби-
      та предполагает вовлечение в соответствующую ре-                                  ны), по М. Акаоги (1997). Условные обозначения
      акцию большего количества оливина, что должно                                     минералов: Ol – оливин, Gar – гранат, Cpx – моно-
      сопровождаться изменением химического состава                                     клинные пироксены, Opx – ромбические пироксе-
      пород вблизи раздела 410. Идеи об этих трансфор-                                  ны, MS – “модифицированная шпинель”, или вад-
                                                                                        слеит (β-(Mg, Fe)2SiO4), Sp – шпинель, Mj – меджо-
      мациях подтверждаются современными глобально-                                     рит Mg3(Fe, Al, Si)2(SiO4)3 , Mw – магнезиовюстит
      сейсмическими данными.                                                            (Mg, Fe)O, Mg–Pv – Mg-перовскит, Са–Pv – Са-пе-
                                                                                        ровскит, X – предполагаемые Al-содержащие фа-
         В целом минералогический состав этой части                                     зы со структурами типа ильменита, Са-феррита
      верхней мантии представляется более или менее яс-                                 и/или голландита


      Таблица 1. Минеральный состав пиролита (по Л. Лиу, 1979)

                      Минерал                             Химическая формула                                         Объемное содержание, %

         Оливин (Fo89)                                (Mg, Fe)2SiO4                                                                 57
         Ромбический пироксен                         (Mg, Fe)SiO3                                                                  17
         Моноклинный пироксен (омфацит)               (Ca, Mg, Fe)2Si2O6–NaAlSi2O6                                                  12
         Гранат (пироп)                               (Mg, Fe, Ca)3(Al,Cr)2Si3O12                                                   14



114                                                                                     лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1998


температурах, соответствующих глубинам ∼ 450 км,      нента нижней мантии – кубического Са-перовски-
трансформируется в корунд и стишовит – модифи-        та CaSiO3 . Молярное отношение между основными
кацию SiO2 , структура которой содержит каркас из     минералами этой зоны (Mg, Fe)-перовскитом (Mg,
SiO6 октаэдров. Оба этих минерала сохраняются не      Fe)SiO3 и Mg-вюститом (Mg, Fe)O варьирует в до-
только в низах верхней мантии, но и глубже.           статочно широких пределах и на глубине ∼1170 км
                                                      при давлении ∼ 29 ГПа и температурах 2000–2800 К
   Важнейший компонент химического состава зо-
                                                      меняется от 2 : 1 до 3 : 1.
ны 400–670 км – вода, содержание которой, по не-
которым оценкам, составляет ∼ 0,1 вес. % и присут-       Исключительная стабильность MgSiO3 со струк-
ствие которой в первую очередь связывают с Mg-        турой типа ромбического перовскита в широком
силикатами [3]. Количество запасенной в этой обо-     диапазоне давлений, соответствующих глубинам
лочке воды столь значительно, что на поверхности      низов мантии, позволяет считать его одним из глав-
Земли оно составило бы слой мощностью 800 м.          ных компонентов этой геосферы. Основанием для
                                                      этого заключения послужили эксперименты, в ходе
лйлнДЗ еДзнаа заЬЦ ЙкДзасх 670 де                     которых образцы Mg-перовскита MgSiO3 были под-
                                                      вергнуты давлению, в 1,3 млн раз превышающему
   Проведенные в последние два-три десятилетия        атмосферное, и одновременно на образец, помещен-
исследования структурных переходов минералов с        ный между алмазными наковальнями, воздейство-
использованием рентгеновских камер высокого           вали лазерным лучом с температурой около 2000 К.
давления позволили смоделировать некоторые осо-       Таким образом смоделировали условия, существую-
бенности состава и структуры геосфер глубже гра-      щие на глубинах ∼ 2800 км, то есть вблизи нижней
ницы 670 км. В этих экспериментах исследуемый         границы нижней мантии. Оказалось, что ни во вре-
кристалл помещается между двумя алмазными пи-         мя, ни после эксперимента минерал не изменил
рамидами (наковальнями) [4], при сжатии которых       свои структуру и состав. Таким образом, Л. Лиу, а
создаются давления, соизмеримые с давлениями          также Е. Ниттл и Р. Жанлоз пришли к выводу, соглас-
внутри мантии и земного ядра. Тем не менее в отно-    но которому стабильность Mg-перовскита позволяет
шении этой части мантии, на долю которой прихо-       рассматривать его как наиболее распространенный
дится более половины всех недр Земли, по-прежне-      минерал на Земле, составляющий, по-видимому,
му остается много вопросов. В настоящее время         почти половину ее массы.
большинство исследователей согласны с идеей о том,
                                                          Не меньшей устойчивостью отличается и вюстит
что вся эта глубинная (нижняя в традиционном по-
                                                      FexO, состав которого в условиях нижней мантии
нимании) мантия в основном состоит из перовски-
                                                      характеризуется значением стехиометрического ко-
топодобной фазы (Mg, Fe)SiO3 , на долю которой
                                                      эффициента х < 0,98, что означает одновременное
приходится около 70% ее объема (40% объема всей
                                                      присутствие в его составе Fe2+ и Fe3+. При этом, со-
Земли), и магнезиовюстита (Mg, Fe)O (∼ 20 %). Ос-
                                                      гласно экспериментальным данным, температура
тавшиеся 10% составляют стишовит и оксидные фа-
                                                      плавления вюстита на границе нижней мантии и
зы, содержащие Ca, Na, K, Al и Fe, кристаллизация
                                                      слоя D", по данным Р. Болера (1996), оценивается в
которых допускается в структурных типах ильмени-
                                                      ∼ 5000 K, что намного выше 3800 К, предполагаемой
та–корунда (твердый раствор (Mg, Fe)SiO3–Al2O3),
                                                      для этого уровня (при средних температурах мантии
кубического перовскита (CaSiO3) и Са-феррита
                                                      ∼ 2500 К в основании нижней мантии допускается
(NaAlSiO4). Образование этих соединений связано с
                                                      повышение температуры приблизительно на 1300 К).
различными структурными трансформациями ми-
                                                      Таким образом, вюстит должен сохраниться на этом
нералов верхней мантии. При этом одна из основных
                                                      рубеже в твердом состоянии, а признание фазового
минеральных фаз относительно гомогенной оболоч-
                                                      контраста между твердой нижней мантией и жид-
ки, лежащей в интервале глубин 410–670 км, – шпи-
                                                      ким внешним ядром требует более гибкого подхода
нелеподобный рингвудит трансформируется в ассо-
                                                      и уж во всяком случае не означает четко очерченной
циацию (Mg, Fe)-перовскита и Mg-вюстита на
                                                      границы между ними.
рубеже 670 км, где давление составляет ∼ 24 ГПа.
Другой важнейший компонент переходной зоны –             Следует отметить, что в преобладающих на
представитель семейства граната пироп Mg3Al2Si3O12    больших глубинах перовскитоподобных фазах мо-
испытывает превращение с образованием ромбиче-        жет содержаться весьма ограниченное количество
ского перовскита (Mg, Fe)SiO3 и твердого раствора     Fe, а повышенные концентрации Fe среди минера-
корунда–ильменита (Mg, Fe)SiO3–Al2O3 при не-          лов глубинной ассоциации характерны лишь для
сколько больших давлениях. С этим переходом свя-      магнезиовюстита. При этом для магнезиовюстита
зывают изменение скоростей сейсмических волн на       доказана возможность перехода под воздействием
рубеже 850–900 км, соответствующем одной из           высоких давлений части содержащегося в нем двух-
промежуточных сейсмических границ. Трансфор-          валентного железа в трехвалентное, остающееся в
мация Са-граната андрадита Ca 3 Fe 3+ Si 3 O 12 при
                                     2                структуре минерала, с одновременным выделением
меньших давлениях ∼ 21 ГПа приводит к образова-       соответствующего количества нейтрального железа.
нию еще одного упомянутого выше важного компо-        На основе этих данных сотрудники геофизической


имфДкйЗлдав С.ы., имфДкйЗлдав ы.е. лйлнДЗ а лнкйЦзаЦ еДзнаа бЦега                                            115


      лаборатории Института Карнеги Х. Мао, П. Белл и       пии при таком же давлении обоснован переход из
      Т. Яги выдвинули новые идеи о дифференциации          высокоспинового (HS) в низкоспиновое состояние
      вещества в глубинах Земли. На первом этапе благо-     (LS) атомов Fe в структуре магнезиовюстита, то есть
      даря гравитационной неустойчивости магнезиовю-        изменение их электронной структуры. В связи с
      стит погружается на глубину, где под воздействием     этим следует подчеркнуть, что структура вюстита
      давления из него выделяется некоторая часть желе-     FeО при высоком давлении характеризуется несте-
      за в нейтральной форме. Остаточный магнезиовюс-       хиометрией состава, дефектами атомной упаковки,
      тит, характеризующийся более низкой плотностью,       политипией, а также изменением магнитного упо-
      поднимается в верхние слои, где вновь смешивается     рядочения, связанного с изменением электронной
      с перовскитоподобными фазами. Контакт с ними          структуры (HS        LS-переход) атомов Fe. Отме-
      сопровождается восстановлением стехиометрии (то       ченные особенности позволяют рассматривать вюс-
      есть целочисленного отношения элементов в хими-       тит как один из наиболее сложных минералов с не-
      ческой формуле) магнезиовюстита и приводит к          обычными свойствами, определяющими специфику
      возможности повторения описанного процесса.           обогащенных им глубинных зон Земли вблизи гра-
      Новые данные позволяют несколько расширить на-        ницы D".
      бор вероятных для глубокой мантии химических
                                                               Сейсмологические измерения указывают на то,
      элементов. Например, обоснованная Н. Росс (1997)
                                                            что и внутреннее (твердое) и внешнее (жидкое) ядра
      устойчивость магнезита при давлениях, соответст-
                                                            Земли характеризуются меньшей плотностью по
      вующих глубинам ∼ 900 км, указывает на возможное
                                                            сравнению со значением, получаемым на основе
      присутствие углерода в ее составе.
                                                            модели ядра, состоящего только из металлического
          Выделение отдельных промежуточных сейсми-         железа при тех же физико-химических параметрах.
      ческих границ, расположенных ниже рубежа 670,         Это уменьшение плотности большинство исследо-
      коррелирует с данными о структурных трансформа-       вателей связывают с присутствием в ядре таких
      циях мантийных минералов, формы которых могут         элементов, как Si, O, S и даже Н, образующих спла-
      быть весьма разнообразными. Иллюстрацией изме-        вы с железом. Среди фаз, вероятных для таких “фа-
      нения многих свойств различных кристаллов при         устовских” физико-химических условий (давления
      высоких значениях физико-химических парамет-          ∼250 ГПа и температуры 4000–6500 К), называются
      ров, соответствующих глубинной мантии, может          Fe3S с хорошо известным структурным типом Cu3Au
      служить, согласно Р. Жанлозу и Р. Хейзену, зафикси-   и Fe7S, структура которого изображена на рис. 3.
      рованная в ходе экспериментов при давлениях 70 ги-    Другой предполагаемой в ядре фазой является β-Fe,
      гапаскалей (ГПа) (∼1700 км) перестройка ионно-        структура которой характеризуется четырехслойной
      ковалентных связей вюстита в связи с металличес-      плотнейшей упаковкой атомов Fe. Температура
      ким типом межатомных взаимодействий. Рубеж            плавления этой фазы оценивается в 5000 К при дав-
      1200 может соответствовать предсказанной на ос-       лении 360 ГПа.
      нове теоретических квантово-механических расче-
                                                                Присутствие водорода в ядре долгое время вы-
      тов и впоследствии смоделированной при давлении
                                                            зывало дискуссию из-за его низкой растворимости
      ∼ 45 ГПа и температуре ∼ 2000 К перестройке SiO2 со
                                                            в железе при атмосферном давлении. Однако недав-
      структурой стишовита в структурный тип CaCl2
                                                            ние эксперименты (данные Дж. Бэддинга, Х. Мао и
      (ромбический аналог рутила TiO2), а 2000 км – его
                                                            Р. Хэмли (1992)) позволили установить, что гидрид
      последующему преобразованию в фазу со структу-
                                                            железа FeH может сформироваться при высоких
      рой, промежуточной между α-PbO2 и ZrO2 , характе-
                                                            температурах и давлениях и оказывается устойчив
      ризующуюся более плотной упаковкой кремний-
                                                            при давлениях, превышающих 62 ГПа, что соответ-
      кислородных октаэдров (данные Л.С. Дубровин-
                                                            ствует глубинам ∼1600 км. В этой связи присутствие
      ского с соавторами). Также начиная с этих глубин
                                                            значительных количеств (до 40 мол. %) водорода в
      (∼ 2000 км) при давлениях 80–90 ГПа допускается
                                                            ядре вполне допустимо и снижает его плотность до
      распад перовскитоподобного MgSiO3 , сопровожда-
                                                            значений, согласующихся с данными сейсмологии.
      ющийся возрастанием содержания периклаза MgO
      и свободного кремнезема. При несколько большем           Можно прогнозировать, что новые данные о
      давлении (∼ 96 ГПа) и температуре 800° установлено    структурных изменениях минеральных фаз на боль-
      проявление политипии у FeO, связанное с образо-       ших глубинах позволят найти адекватную интер-
      ванием структурных фрагментов типа никелина           претацию и другим важнейшим геофизическим
      NiAs, чередующихся с антиникелиновыми домена-         границам, фиксируемым в недрах Земли. Общее
      ми, в которых атомы Fe расположены в позициях         заключение таково, что на таких глобальных сейс-
      атомов As, а атомы О – в позициях атомов Ni. Вбли-    мических рубежах, как 410 и 670 км, происходят
      зи границы D" происходит трансформация Al2O3 со       значительные изменения в минеральном составе
      структурой корунда в фазу со структурой Rh2O3 ,       мантийных пород. Минеральные преобразования
      экспериментально смоделированная при давлениях        отмечаются также и на глубинах ∼850, 1200, 1700,
      ∼100 ГПа, то есть на глубине ∼2200–2300 км. С ис-     2000 и 2200–2300 км, то есть в пределах нижней ман-
      пользованием метода мёссбауэровской спектроско-       тии. Это весьма важное обстоятельство, позволяющее


116                                                           лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1998


    S                                                  а




         Fe




                                                                     −1%                   +1%

                                                       б
                                               C




                                                                    −1%                   +1%
                             a
                                                       в

   Рис. 3. Тетрагональная структура Fe7S-возмож-
   ного компонента внутреннего (твердого) ядра, по
   Д.М. Шерману (1997)

отказаться от представления об ее однородной
структуре.

зйЗДь ейСЦгъ лнкйЦзаь еДзнаа
   К 80-м годам XX века сейсмологические иссле-
                                                                    −1,5%                  +1,5%
дования методами продольных и поперечных сейс-
мических волн, способных проникать через весь
объем Земли, а потому названных объемными в от-            Рис. 4. Примеры распределения скоростных ано-
                                                           малий в мантии Земли по данным сейсмической
личие от поверхностных, распределяющихся лишь              томографии на разных глубинах [5]: а – глубинный
по ее поверхности, оказались уже настолько суще-           уровень 900 км, б – 1750 км, в – 2600 км. Приве-
ственными, что позволили составлять карты сейс-            денные шкалы характеризуют положительные и
мических аномалий для разных уровней планеты.              отрицательные изменения скоростей сейсмичес-
                                                           ких волн (в %) по отношению к их средним значе-
Фундаментальные работы в этой области выполне-             ниям для указанных выше глубин
ны американским сейсмологом А. Дзевонски и его
коллегами [5].
                                                     из них отличаются большой пестротой и контраст-
    На рис. 4 приведены образцы подобных карт из     ностью в распределении областей с различными
серии, опубликованной в 1994 году, хотя первые       скоростями сейсмических волн (рис. 5), тогда как
публикации появились на 10 лет раньше. В работе      на других видны более сглаженные и простые соот-
[5] приведены 12 карт для глубинных срезов Земли     ношения между ними.
в интервале от 50 до 2850 км, то есть практически
охватывающих всю мантию. На этих интересней-             В том же, 1994 году вышла в свет аналогичная
ших картах легко видеть, что сейсмическая картина    работа японских геофизиков [6]. В ней приведены
на различных уровнях глубины разная. Это видно       14 карт для уровней от 78 до 2900 км. На обеих сери-
по площадям и контурам распространения сейсмо-       ях карт ясно видна тихоокеанская неоднородность,
аномальных ареалов, особенностям переходов между     которая хоть и меняется в очертаниях, но просле-
ними и вообще по общему облику карт. Отдельные       живается вплоть до земного ядра. За пределами этой


имфДкйЗлдав С.ы., имфДкйЗлдав ы.е. лйлнДЗ а лнкйЦзаЦ еДзнаа бЦега                                             117


                   а                          б                    ней. В такой интерпретации мощность нижней
      Глубина, км Земная кора Глубина, км           Мощности, км   мантии сократилась в три раза и составляет прибли-
         30                      0                           30    зительно 700 км. При этом нижняя мантия отвечает
                                                                   зоне непосредственного влияния внешнего ядра. Ее
                 Верхняя                    Верхняя          640   нижняя часть испытывает наиболее интенсивное
        410                    400
                 мантия                     мантия                 влияние и соответствует слою D". Над этой оболоч-
        670                                                        кой располагается область с существенно более пе-
                               800     Зона раздела I 170
                                                                   строй картиной распределения сейсмоаномалий,
                                                                   имеющая мощность порядка 500 км. Эта область
                              1200          Средняя                разграничивает нижнюю и среднюю мантию, отли-
                                                             860   чающуюся более значительными по площади и ме-
                                            мантия                 нее контрастными сейсмическими ареалами. Мощ-
                Нижняя        1600                                 ность средней мантии около 860 км. Подчеркнем,
                мантия
                                                                   что средняя мантия прекрасно обособляется также
                                      Зона раздела II 500          на картах американских сейсмологов. Над ней сно-
                              2000                                 ва выделяется область с относительно более слож-
                                                                   ной картиной распределения сейсмоаномалий, ко-
                              2400          Нижняя                 торая отделяет верхнюю мантию. Мощность зоны
                                                             700   раздела приблизительно 170 км. Что касается верх-
       2650                                            D''         ней мантии, то она соответствует традиционной
                 Слой D''     2800          мантия                 модели. Рубеж 410, как уже отмечалось, делит ее на
       2900
                                                                   две части: нижнюю и верхнюю. Таким образом сум-
                 Внешнее                    Внешнее
                                                                   марно выделяются шесть глубинных геосфер.

                  ядро                       ядро                      Как же соотносятся предлагаемые границы глу-
       5146                   5146                                 бинных геосфер с ранее обособленными сейсмоло-
               Внутреннее               Внутреннее                 гами сейсмическими рубежами? Сопоставление по-
                                                                   казывает, что нижняя граница средней мантии
                  ядро                       ядро                  коррелирует с рубежом 1700, глобальная значи-
       6371                   6371
                                                                   мость которого подчеркнута в работе [6]. Ее верхняя
                                                                   граница примерно соответствует рубежам 800–900.
         Рис. 5. Модели строения Земли: а – традицион-
         ная модель, распространенная в настоящее вре-             Что касается верхней мантии, то здесь расхождений
         мя; б – новая модель, основанная на анализе               нет: ее нижняя граница представлена рубежом 670,
         сейсмотомографических карт и данных о сейсми-             а верхняя – рубежом Мохоровичича. Особо обратим
         ческих границах. Мощности могут варьировать в             внимание на неопределенность верхней границы
         пределах до 10%
                                                                   нижней мантии. В процессе дальнейших исследова-
                                                                   ний, возможно, окажется, что намеченные недавно
      крупной неоднородности сейсмическая картина ус-              сейсмические рубежи 1900 и 2000 позволят внести
      ложняется, значительно меняясь при переходе от               коррективы в ее мощность. Таким образом, резуль-
      одного уровня к другому. Но, сколь бы значительно            таты сопоставления свидетельствуют о правомерно-
      ни было различие этих карт, между отдельными из              сти предлагаемой новой модели структуры мантии.
      них просматриваются черты сходства. Они выража-
      ются в некотором подобии в размещении в прост-               бДдгыуЦзаЦ
      ранстве положительных и отрицательных сейсмо-
      аномалий и в конечном счете в общих особенностях                Исследование глубинного строения Земли отно-
      глубинной сейсмоструктуры. Это позволяет груп-               сится к наиболее крупным и актуальным направле-
      пировать такие карты, что дает возможность выде-             ниям геологических наук. Новая стратификация
      лять внутримантийные оболочки разного сейсми-                мантии Земли позволяет значительно менее схема-
      ческого облика. И такая работа была выполнена [7].           тично, чем прежде, подойти к сложной проблеме
      На основе анализа карт японских геофизиков ока-              глубинной геодинамики. Различие в сейсмических
      залось возможным предложить существенно более                характеристиках земных оболочек (геосфер), отра-
      дробную структуру мантии Земли, показанную на                жающих различие в их физических свойствах и ми-
      рис. 5, по сравнению с традиционной моделью зем-             неральном составе, создает возможности для моде-
      ных оболочек.                                                лирования геодинамических процессов в каждой из
                                                                   них в отдельности. Геосферы в этом смысле, как те-
         Принципиально новыми являются два положе-                 перь совершенно ясно, обладают известной авто-
      ния: а) обособление мощной средней мантии в пре-             номностью. Однако эта исключительно важная тема
      делах ранее недифференцированной нижней ман-                 лежит за рамками данной статьи. От дальнейшего
      тии; б) выделение зон раздела между верхней и                развития сейсмотомографии, как и некоторых дру-
      средней мантиями, а также между средней и ниж-               гих геофизических исследований, а также изучения


118                                                                  лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹11, 1998


минерального и химического состава глубин будут                                      * * *
зависеть существенно более обоснованные постро-                   Дмитрий Юрьевич Пущаровский, доктор геоло-
ения в отношении состава, структуры, геодинамики               го-минералогических наук, профессор геологиче-
и эволюции Земли в целом.                                      ского факультета Московского государственного
                                                               университета им. М.В. Ломоносова, действитель-
ганЦкДнмкД                                                     ный член Российской академии естественных наук.
                                                               Председатель комиссии по систематике минера-
   1. Geotimes. 1994. Vol. 39, № 6. Р. 13–15.                  лов Международной минералогической ассоциа-
   2. Ross A. The Earth’s Mantle Remodelled // Nature. 1997.   ции. Область научных интересов: рентгеновская
   Vol. 385, № 6616. P. 490.                                   кристаллография и структурные принципы мине-
                                                               ралов и неорганических соединений. Автор семи
   3. Thompson A.B. Water in the Earth’s Upper Mantle //
   Nature. 1992. Vol. 358, № 6384. P. 295–302.                 монографий и более 280 научных статей.
                                                                  Юрий Михайлович Пущаровский, доктор геоло-
   4. Пущаровский Д.Ю. Глубинные минералы Земли //
   Природа. 1980. № 11. С. 119–120.                            го-минералогических наук, профессор, действи-
                                                               тельный член Российской академии наук, советник
   5. Su W., Woodward R.L., Dziewonski A.M. Degree 12          Российской академии наук, работает в Геологичес-
   Model of Shear Velocity Heterogeneity in the Mantle //      ком институте РАН, лауреат Государственных пре-
   J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99, № B4. P. 6945–6980.
                                                               мий СССР и Российской Федерации, награжден
   6. J. Geol. Soc. Japan. 1994. Vol. 100, № 1. P. VI–VII.     золотой медалью им. А.П. Карпинского. Область
   7. Пущаровский Ю.М. Сейсмотомография и структура            научных интересов: тектоника, региональная гео-
   мантии: Тектонический ракурс // Докл. АН. 1996.             логия, геология океанов и морей, геодинамика. Ав-
   Т. 351, № 6. С. 805–809.                                    тор более 400 работ, включая 12 монографий.




имфДкйЗлдав С.ы., имфДкйЗлдав ы.е. лйлнДЗ а лнкйЦзаЦ еДзнаа бЦега                                                  119



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика