Мантія Землі, її суть і види

Склад і будова глибинних оболонок Землі в останні десятиліття продовжують залишатися однією з найбільш інтригуючих проблем сучасної геології. Число прямих даних про речовину глибинних зон дуже обмежене. У цьому плані особливе місце займає мінеральний агрегат з кімберлітової трубки Лесото (Південна Африка), який розглядається як представник мантійних пород, які залягають на глибині ~250 км. Керн, піднятий з найглибшої у світі свердловини, пробуреної на Кольському півострові, що досягла 12 262 м, істотно розширив наукові представлення про глибинні шари земної кори - тонкої приповерхової плівки земної кулі. Разом з тим новітні дані геофізики й експериментів, зв'язаних з дослідженням структурних перетворень міне­ра­лів, уже зараз дозво­ляють змоделювати багато особли­востей будови, складу і процесів, які відбуваються в глибинах Землі, знання яких сприяє вирішенню таких ключових проблем сучасного природознавства, як формування й еволюція планети, динаміка земної кори і мантії, джерела мінеральних ресурсів, оцінка ризику поховання небезпечних відходів на великих глибинах, енергетичні ресурси Землі й ін.

Виділяють три головні області Землі:

1. Земна кора (шар А) -верхня оболонка Землі, потужність якої змінюється від 6-7 км під глибокими частинами океанів до 35-40 км під рівнинними платформними територіями континентів, до 50-70(75) км під гірськими спорудженнями (найбільші під Гімалаями й Андами).

2. Мантія Землі, що поширюється до глибин 2900 км. У її межах по сейсмічним даним виділяються: верхня мантія - шар У глибиною до 400 км і З - до 800-1000 км (деякі дослідники шар З називають середньою мантією); нижня мантія - шар D до глибини 2700 з перехідним шаром D1 - від 2700 до 2900 км.

3. Ядро Землі, що підрозділяється: на зовнішнє ядро - шар Е в межах глибин 2900-4980 км; перехідну оболонку - шар F - від 4980 до 5120 км і внутрішнє ядро - шар G до 6971 км.

Як видно з дані таблиці, земна кора відокремлюється від шару У верхній мантії досить різкою границею. У 1909 р. югославський сейсмолог А. Мохоровичич при вивченні балканських землетрусів вперше встановив наявність цього розмежування, що носить тепер його ім'я і принятого за нижню границю земної кори. Часто цю границю скорочено називають границею Мохоровичича М. Друга різка границя збігається з переходом від нижньої мантії до зовнішнього ядра, де спостерігається стрибкоподібне падіння швидкості подовжніх сейсмічних хвиль з 13,6 до 8,1 км/з, а поперечні хвилі гасяться. Раптове різке зменшення швидкості подовжніх хвиль і зникнення поперечних хвиль у зовнішнім ядрі свідчать про надзвичайний стан речовини, що відрізняється від твердої мантії.

Ця границя названа ім'ям Б. Гутенберга. Третій розділ збігається з підставою шаруючи F і внутрішнім ядром Землі (шар G).

Широко відома модель внутрішньої будівлі Землі (розподіл її на ядро, мантію і земну кору) розроблена сейсмологами Г. Джеффрісом і Б. Гутенбергом ще в першій половині XX століття. Вирішальним фактором при цьому виявилося виявлення різкого зниження швидкості проходження сейсмічних хвиль усередині земної кулі на глибині 2900 км при радіусі планети 6371 км. Швидкість проходження повздовжних сейсмічних хвиль безпосередньо над зазначеним рубежем дорівнює 13,6 км/з, а під ним - 8,1 км/с. Це і є границя мантії і ядра.

Відповідно радіус ядра складає 3471 км. Верхньою границею мантії служить сейсмічний розділ Мохоровічича (Мохо, М), виділений югославським сейсмологом А. Мохоровічичем (1857-1936) ще в 1909 році. Він відокремлює земну кору від мантії. На цьому рубежі швидкості повздовжних хвиль, подовжніх через земну кору, стрибкоподібно збільшуються з 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/з, однак відбувається це на різних глибинних рівнях. Під континентами глибина роздягнула М (тобто підошви земної кори) складає перші десятки кілометрів, причому під деякими гірськими спорудженнями (Памір, Анди) може досягати 60 км, тоді як під океанськими западинами, включаючи і товщу
води, глибина дорівнює лише 10-12 км. Узагалі ж земна кора в цій схемі вимальовується як тонка шкарлупа, у той час як мантія поширюється в глибину на 45% земного радіуса.

Але в середині XX століття в науку ввійшли представлення про більш дробову глибинну будівлю Землі. На підставі нових сейсмологічних даних виявилося можливим розділити ядро на внутрішнє і зовнішнє, а мантію - на нижню і верхню (мал. 1). Ця модель, що одержала широке поширення, використовується і в даний час. Початок їй поклав австралійський сейсмолог К.Е. Буллен, що запропонував на початку 40-х років схему поділу Землі на зони, що позначив буквами: А - земна кора, У - зона в інтервалі глибин 33-413 км, З - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, Д - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Землі). Ці зони відрізняються сейсмічно
мі характеристиками. Пізніше зону D він розділив на зони D' (984-2700 км) і D" (2700-2900 км). В даний час ця схема значно видозмінена і лише шар D" широко використовується в літературі. Його головна характеристика - зменшення градієнтів сейсмічних швидкостей у порівнянні з вищележачої областю мантії.

Верхня границя шаруючи D" невизначений; її рівень від поверхні ядра може варіювати від 200 до 500 км і більш. Таким чином, можна укласти, що даний шар відбиває нерівномірне і разноинтенсивное надходження енергії ядра в область мантії.

Границею нижньої і верхньої мантії в розглянутій схемі служить сейсмічний розділ, що лежить на глибині 670 км. Він має глобальне поширення й улаштовується стрибком сейсмічних швидкостей убік їхнього збільшення, а також зростанням густини речовини нижньої мантії. Цей розділ є також і границею змін мінерального складу порід у мантії.

Таким чином, нижня мантія, укладена між глибинами 670 і 2900 км, простирається по радіусі Землі на 2230 км. Верхня мантія має добре фіксується внутрішній сейсмічний розділ, що проходить на глибині 410 км. При переході цієї границі зверху вниз сейсмічні швидкості різко зростають. Тут, як і на нижній границі верхньої мантії, відбуваються істотні мінеральні перетворення.

Верхню частину верхньої мантії і земну кору разом виділяють як літосферу, яка є верхньою твердою оболонкою Землі, на противагу гидро- і атмосфері. Завдяки теорії тектоніки літосферних плит теорії "літосфера" одержав найширше поширення. Теорія припускає рух плит по астеносфері - розм'якшеному, частково, можливо, рідкому глибинному шарі зниженої в'язкості. Однак сейсмологія не показує витриманої в просторі астеносфери. Для багатьох областей виявлені трохи астеносферних шарів, розташованих по вертикалі, а також переривчастість їх по горизонталі. Особливо виразно їхнє чергування фіксується в межах континентів, де глибина залягання астеносферних шарів (лінз) варіює від 100 км до багатьох сотень.
Під океанськими абісальними западинами астеносферний шар лежить на глибинах 70-80 км і менш. Відповідно нижня границя літосфери фактично є невизначеної, а це створює великих труднощів для теорії кінематики літосферних плит, що і відзначається багатьма дослідниками.

Такі основи представлень про будівлю Землі, що склалися до дійсного часу. Далі звернемося до новітніх даних у відношенні глибинних сейсмічних рубежів, що представляють найважливішу інформацію про внутрішню будівлю планети.

Нова модель будови мантії. До 80-м років XX століття сейсмологічні дослідження методами подовжніх і поперечних сейсмічних хвиль, які проникають через весь об’єм Землі, а тому названих об'ємними на відміну від поверхневих, що розподіляються лише по її поверхні, виявилися вже настільки істотними, що дозволили складати карти сейсмічних аномалій для різних рівнів планети. Фундаментальні роботи в цій області виконані американським сейсмологом А. Дзевонскі і його колегами.

У їхній останній праці, яка вийшла 1994 р. приведені 12 карт для глибинних зрізів Землі в інтервалі від 50 до 2850 км, тобто практично охоплюють усю мантію. На цих найцікавіших картах легко бачити, що сейсмічна картина на різних рівнях глибини різна. Це видно по площах і контурам поширення сейсмоаномальних ареалів, особливостям переходів між ними і взагалі по загальному вигляді карт. Окремі з них відрізняються великою строкатістю і контрастністю в розподілі областей з різними швидкостями сейсмічних хвиль, тоді як на інші видні більш згладжені і прості співвідношення між ними.

У тому ж, 1994 року вийшла у світ аналогічна робота японських геофізиків. У ній приведені 14 карт для рівнів від 78 до 2900 км. На обох серіях карт ясно видна тихоокеанська неоднорідність, що хоч і міняється в обрисах, але просліджується аж до земного ядра. За межами цієї великої неоднорідності сейсмічна картина ускладнюється, значно міняючись при переході від одного рівня до іншого. Але, як би значно ні було розходження цих карт, між окремими з них проглядаються риси подібності. Вони виражаються в деякій подобі в розміщенні в просторі позитивних і негативних сейсмоаномалий і в кінцевому рахунку в загальних особливостях глибинної сейсмоструктури. Це дозволяє групувати такі карти, що дає можливість виділяти внутрімантійні оболонки різного сейсмічного вигляду. І така робота була виконана . На основі аналізу карт японських геофізиків виявилося можливим запропонувати істотно більш дробову структуру мантії Землі, у порівнянні з традиційною моделлю земних оболонок.