Sechs grundlegende Fakten über den Erdmantel. Die stoffliche Zusammensetzung der Erde Methoden zur Untersuchung des Erdmantels

Es hat eine besondere Zusammensetzung, die sich von der Zusammensetzung der ihn bedeckenden Erdkruste unterscheidet. Daten zur chemischen Zusammensetzung des Mantels wurden auf der Grundlage von Analysen der tiefsten Eruptivgesteine ​​gewonnen, die durch starke tektonische Hebungen mit dem Abtrag von Mantelmaterial in die oberen Horizonte der Erde gelangten. Zu diesen Gesteinen gehören ultrabasische Gesteine ​​- Dünite, Peridotite, die in Gebirgssystemen vorkommen. Die Gesteine ​​der St. Paul-Inseln im mittleren Teil des Atlantischen Ozeans gehören allen geologischen Daten zufolge zum Mantelmaterial. Das Mantelmaterial umfasst auch Gesteinsfragmente, die von sowjetischen ozeanographischen Expeditionen vom Grund des Indischen Ozeans im Bereich des Indischen Ozeanrückens gesammelt wurden. Hinsichtlich der mineralogischen Zusammensetzung des Mantels ist hier, ausgehend von den oberen Horizonten bis hin zur Mantelbasis, durch eine Druckerhöhung mit deutlichen Veränderungen zu rechnen. Der obere Mantel besteht hauptsächlich aus Silikaten (Olivine, Pyroxene, Granate), die stabil und innerhalb relativ niedriger Drücke sind. Der untere Mantel besteht aus hochdichten Mineralien.

Der häufigste Bestandteil des Mantels ist Siliziumoxid in der Zusammensetzung von Silikaten. Aber bei hohen Drücken kann Kieselsäure in eine dichtere polymorphe Modifikation übergehen - Stishovit. Dieses Mineral wurde vom sowjetischen Forscher Stishov gewonnen und nach ihm benannt. Wenn gewöhnlicher Quarz eine Dichte von 2,533 U/cm 3 hat, dann hat Stishovit, gebildet aus Quarz bei einem Druck von 150.000 bar, eine Dichte von 4,25 g/cm 3 .

Darüber hinaus sind auch dichtere Mineralmodifikationen anderer Verbindungen im unteren Mantel wahrscheinlich. Aufgrund des Vorstehenden ist davon auszugehen, dass die üblichen Eisen-Magnesium-Silikate von Olivinen und Pyroxenen mit zunehmendem Druck in Oxide zerfallen, die einzeln eine höhere Dichte aufweisen als Silikate, die sich im oberen Mantel als stabil erweisen.

Der obere Erdmantel besteht hauptsächlich aus eisen-magnesischen Silikaten (Olivine, Pyroxene). Einige Alumosilikate können sich hier in dichtere Mineralien wie Granate umwandeln. Unterhalb der Kontinente und Ozeane hat der obere Mantel andere Eigenschaften und wahrscheinlich auch eine andere Zusammensetzung. Man kann nur vermuten, dass im Bereich der Kontinente der Mantel aufgrund der Konzentration dieses Bestandteils in der Alumosilikatkruste differenzierter ist und weniger SiO 2 aufweist. Unterhalb der Ozeane ist der Mantel weniger differenziert. Im oberen Mantel können dichtere polymorphe Modifikationen von Olivin mit Spinellstruktur usw. auftreten.

Die Übergangsschicht des Mantels ist durch eine konstante Zunahme der seismischen Wellengeschwindigkeiten mit der Tiefe gekennzeichnet, was auf das Auftreten dichterer polymorpher Modifikationen der Materie hinweist. Hier treten offensichtlich FeO-, MgO-, GaO-, SiO 2 -Oxide in Form von Wüstit, Periklas, Kalk und Stishovit auf. Ihre Zahl nimmt mit der Tiefe zu, während die Menge gewöhnlicher Silikate abnimmt und unterhalb von 1000 km einen unbedeutenden Anteil ausmacht.

Der untere Mantel in den Tiefen von 1000-2900 km besteht fast vollständig aus dichten Sorten von Mineralien - Oxiden, was durch seine hohe Dichte im Bereich von 4,08-5,7 g/cm 3 belegt wird. Unter dem Einfluss von erhöhtem Druck werden dichte Oxide komprimiert, wodurch ihre Dichte weiter erhöht wird. Auch der Eisengehalt nimmt wahrscheinlich im unteren Erdmantel zu.

Erdkern. Die Frage nach der Zusammensetzung und physikalischen Beschaffenheit des Kerns unseres Planeten ist eines der spannendsten und mysteriösesten Probleme der Geophysik und Geochemie. Erst kürzlich gab es eine kleine Aufklärung bei der Lösung dieses Problems.

Der riesige zentrale Kern der Erde, der die innere Region tiefer als 2900 km einnimmt, besteht aus einem großen äußeren Kern und einem kleinen inneren. Laut seismischen Daten hat der äußere Kern die Eigenschaften einer Flüssigkeit. Es überträgt keine transversalen seismischen Wellen. Das Fehlen von Kohäsionskräften zwischen dem Kern und dem unteren Mantel, die Art der Gezeiten in Mantel und Kruste, die Besonderheiten der Bewegung der Rotationsachse der Erde im Weltraum, die Art des Durchgangs seismischer Wellen tiefer als 2900 km zeigen an, dass der äußere Kern der Erde flüssig ist.

Einige Autoren nahmen an, dass die Zusammensetzung des Kerns für ein chemisch homogenes Modell der Erde Silikate war, und unter dem Einfluss von Hochdruck gingen die Silikate in einen „metallisierten“ Zustand über und nahmen eine atomare Struktur an, in der die äußeren Elektronen gemeinsam sind. Die oben aufgeführten geophysikalischen Daten widersprechen jedoch der Annahme eines „metallisierten“ Zustands des Silikatmaterials im Erdkern. Insbesondere die fehlende Kohäsion zwischen Kern und Mantel lässt sich nicht mit einem „metallisierten“ festen Kern vereinbaren, der in der Lodochnikov-Ramsay-Hypothese angenommen wurde. Bei Experimenten mit Silikaten unter Hochdruck wurden sehr wichtige indirekte Daten über den Erdkern gewonnen. In diesem Fall erreichte der Druck 5 Millionen atm. In der Mitte der Erde beträgt der Druck 3 Millionen atm und an der Grenze des Kerns etwa 1 Million atm. So war es experimentell möglich, die Drücke zu blockieren, die in den Tiefen der Erde herrschen. In diesem Fall wurde für Silikate nur eine lineare Kompression ohne Sprung und Übergang in einen „metallisierten“ Zustand beobachtet. Darüber hinaus können Silikate bei hohen Drücken und in Tiefen von 2900 bis 6370 km nicht wie Oxide in einem flüssigen Zustand sein. Ihr Schmelzpunkt steigt mit steigendem Druck.

Sehr interessante Ergebnisse wurden in den letzten Jahren über die Auswirkung sehr hoher Drücke auf den Schmelzpunkt von Metallen erhalten. Es stellte sich heraus, dass eine Reihe von Metallen bei hohen Drücken (300.000 atm und mehr) bei relativ niedrigen Temperaturen in einen flüssigen Zustand übergehen. Nach einigen Berechnungen sollte eine Eisenlegierung mit einer Beimischung von Nickel und Silizium (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) in einer Tiefe von 2900 km unter dem Einfluss von Hochdruck bereits bei a in flüssigem Zustand sein Temperatur von 1000 ° C. Aber die Temperatur in diesen Tiefen sollte nach den konservativsten Schätzungen der Geophysiker viel höher sein.

Daher sollte im Lichte moderner geophysikalischer und hochdruckphysikalischer Daten sowie kosmochemischer Daten, die auf die führende Rolle von Eisen als dem am häufigsten vorkommenden Metall im Weltraum hinweisen, davon ausgegangen werden, dass der Erdkern hauptsächlich aus flüssigem Eisen besteht mit einem Beimischung von Nickel. Die Berechnungen des amerikanischen Geophysikers F. Birch ergaben jedoch, dass die Dichte des Erdkerns bei den im Kern herrschenden Temperaturen und Drücken um 10 % geringer ist als die einer Eisen-Nickel-Legierung. Daraus folgt, dass der metallische Kern der Erde eine beträchtliche Menge (10-20%) einer Art Lunge enthalten muss. Von allen leichtesten und häufigsten Elementen sind Silizium (Si) und Schwefel (S) die wahrscheinlichsten | Das Vorhandensein des einen oder anderen kann die beobachteten physikalischen Eigenschaften des Erdkerns erklären. Daher erweist sich die Frage, was eine Beimischung des Erdkerns ist – Silizium oder Schwefel – als umstritten und hängt mit der praktischen Entstehung unseres Planeten zusammen.

A. Ridgwood nahm 1958 an, dass der Erdkern Silizium als leichtes Element enthält, und begründete diese Annahme damit, dass elementares Silizium in einer Menge von mehreren Gewichtsprozent in der Metallphase einiger reduzierter Chondrit-Meteoriten (Enstatite) gefunden wird. Es gibt jedoch keine weiteren Argumente für das Vorkommen von Silizium im Erdkern.

Die Vermutung, dass es Schwefel im Erdkern gibt, ergibt sich aus einem Vergleich seiner Verteilung im Chondritmaterial von Meteoriten und im Erdmantel. So zeigt ein Vergleich der elementaren Atomverhältnisse einiger flüchtiger Elemente in einer Mischung aus Kruste und Mantel und in Chondriten einen deutlichen Mangel an Schwefel. Im Material des Mantels und der Kruste ist die Schwefelkonzentration um drei Größenordnungen niedriger als im durchschnittlichen Material des Sonnensystems, das als Chondrite angenommen wird.

Die Möglichkeit des Schwefelverlusts bei den hohen Temperaturen der Urerde wird ausgeschlossen, da andere flüchtigere Elemente als Schwefel (z. B. H2 in Form von H2O), die sich als viel weniger mangelhaft erwiesen haben, an einen viel größeren verloren gehen würden Ausmaß. Wenn Solargas abkühlt, verbindet sich Schwefel außerdem chemisch mit Eisen und ist kein flüchtiges Element mehr.

Dabei ist es durchaus möglich, dass große Mengen Schwefel in den Erdkern gelangen. Es ist zu beachten, dass der Schmelzpunkt des Fe-FeS-Systems unter sonst gleichen Bedingungen viel niedriger ist als der Schmelzpunkt von Eisen oder Mantelsilikat. Bei einem Druck von 60 kbar beträgt die Schmelztemperatur des Systems (Eutektikum) Fe-FeS 990 ° C, während reines Eisen - 1610 ° und Mantelpyrolit - 1310. Daher mit einem Temperaturanstieg im Darm der anfänglich homogenen Erde bildet sich zunächst eine mit Schwefel angereicherte Eisenschmelze, die aufgrund ihrer geringen Viskosität und hohen Dichte leicht in die zentralen Teile des Planeten abfließt und einen eisen- und schwefelhaltigen Kern bildet. Somit wirkt das Vorhandensein von Schwefel in der Nickel-Eisen-Umgebung als ein Flussmittel, das seinen Schmelzpunkt insgesamt senkt. Die Hypothese des Vorhandenseins erheblicher Schwefelmengen im Erdkern ist sehr attraktiv und widerspricht nicht allen bekannten Daten der Geochemie und Kosmochemie.

So entsprechen moderne Vorstellungen über die Beschaffenheit des Inneren unseres Planeten einer chemisch differenzierten Kugel, die sich als zweigeteilt herausstellte: eine mächtige feste Hülle aus Silikatoxid und ein flüssiger, meist metallischer Kern. Die Erdkruste ist die leichteste obere feste Schale, die aus Alumosilikaten besteht und die komplexeste Struktur hat.

Zusammenfassend können wir die folgenden Schlussfolgerungen ziehen.

1. Die Erde hat eine geschichtete Zonenstruktur. Es besteht zu zwei Dritteln aus einer festen Silikatoxidhülle – dem Mantel – und zu einem Drittel aus einem metallischen flüssigen Kern.
2. Die Haupteigenschaften der Erde weisen darauf hin, dass sich der Kern in einem flüssigen Zustand befindet und nur Eisen aus den häufigsten Metallen mit einer Beimischung einiger leichter Elemente (höchstwahrscheinlich Schwefel) in der Lage ist, diese Eigenschaften bereitzustellen.
3. In ihren oberen Horizonten hat die Erde eine asymmetrische Struktur, die die Kruste und den oberen Mantel bedeckt. Die ozeanische Hemisphäre innerhalb des oberen Mantels ist weniger differenziert als die gegenüberliegende kontinentale Hemisphäre.

Die Aufgabe jeder kosmogonischen Theorie der Entstehung der Erde besteht darin, diese grundlegenden Merkmale ihrer inneren Natur und Zusammensetzung zu erklären.

Mantel der Erde - Dies ist eine Silikathülle der Erde, die hauptsächlich aus Peridotiten besteht - Gestein, das aus Silikaten von Magnesium, Eisen, Kalzium usw. besteht. Durch teilweises Schmelzen von Mantelgesteinen entstehen Basalt und ähnliche Schmelzen, die beim Aufsteigen an die Oberfläche die Erdkruste bilden.

Der Mantel macht 67 % der Gesamtmasse der Erde und etwa 83 % des Gesamtvolumens der Erde aus. Es erstreckt sich von Tiefen von 5-70 km unterhalb der Grenze zur Erdkruste bis zur Grenze zum Kern in 2900 km Tiefe. Der Mantel befindet sich in den unterschiedlichsten Tiefen und mit zunehmendem Druck in der Substanz kommt es zu Phasenübergängen, bei denen Minerale eine immer dichtere Struktur annehmen. Die bedeutendste Transformation findet in einer Tiefe von 660 Kilometern statt. Die Thermodynamik dieses Phasenübergangs ist derart, dass Mantelmaterie unterhalb dieser Grenze nicht durchdringen kann und umgekehrt. Oberhalb der Grenze von 660 Kilometern befindet sich der obere Mantel und darunter jeweils der untere. Diese beiden Teile des Mantels haben unterschiedliche Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften. Obwohl die Informationen über die Zusammensetzung des unteren Mantels begrenzt sind und die Anzahl direkter Daten sehr gering ist, kann mit Sicherheit behauptet werden, dass sich seine Zusammensetzung seit der Entstehung der Erde viel weniger verändert hat als der obere Mantel, aus dem die entstanden ist Erdkruste.

Die Wärmeübertragung im Mantel erfolgt durch langsame Konvektion durch plastische Verformung von Mineralien. Die Bewegungsraten der Materie während der Mantelkonvektion liegen in der Größenordnung von mehreren Zentimetern pro Jahr. Diese Konvektion treibt die Lithosphärenplatten an. Die Konvektion im oberen Mantel erfolgt separat. Es gibt Modelle, die eine noch komplexere Struktur der Konvektion annehmen.

Seismisches Modell des Aufbaus der Erde

Die Zusammensetzung und Struktur der tiefen Erdschalen in den letzten Jahrzehnten ist nach wie vor eines der faszinierendsten Probleme der modernen Geologie. Die Anzahl direkter Daten zum Thema Tiefenzonen ist sehr begrenzt. Eine besondere Stellung nimmt dabei ein Mineralaggregat aus der Lesotho-Kimberlit-Pipe (Südafrika) ein, das als Vertreter der in ~250 km Tiefe vorkommenden Mantelgesteine ​​gilt. Der Kern, der aus dem tiefsten Bohrloch der Welt geborgen wurde, das auf der Kola-Halbinsel gebohrt wurde und 12.262 m erreichte, erweiterte das wissenschaftliche Verständnis der tiefen Horizonte der Erdkruste - eines dünnen oberflächennahen Films der Erde - erheblich. Gleichzeitig ermöglichen neueste Daten der Geophysik und Experimente zur Untersuchung von Strukturumwandlungen von Mineralien bereits jetzt die Modellierung vieler Merkmale der Struktur, Zusammensetzung und Prozesse, die in den Tiefen der Erde ablaufen, deren Kenntnis zur Lösung beiträgt von Schlüsselproblemen der modernen Naturwissenschaft wie Entstehung und Entwicklung des Planeten, Dynamik der Erdkruste und des Erdmantels, Quellen mineralischer Rohstoffe, Risikobewertung von Sondermülldeponien in großen Tiefen, Energieressourcen der Erde usw.

Das weithin bekannte Modell des inneren Aufbaus der Erde (ihre Aufteilung in Kern, Mantel und Erdkruste) wurde bereits in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts von den Seismologen G. Jeffreys und B. Gutenberg entwickelt. Ausschlaggebend dafür war die Entdeckung einer starken Abnahme der Durchgangsgeschwindigkeit seismischer Wellen im Inneren des Globus in einer Tiefe von 2900 km mit einem Radius des Planeten von 6371 km. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von seismischen Längswellen direkt über der angegebenen Grenze beträgt 13,6 km/s und darunter 8,1 km/s. Dies ist die Grenze zwischen Mantel und Kern.

Dementsprechend beträgt der Kernradius 3471 km. Die obere Grenze des Mantels ist der seismische Abschnitt von Mohorovichić (Moho, M), der bereits 1909 vom jugoslawischen Seismologen A. Mohorovichić (1857-1936) identifiziert wurde. Sie trennt die Erdkruste vom Mantel. An dieser Grenze steigen die Geschwindigkeiten von Longitudinalwellen, die die Erdkruste durchquert haben, sprunghaft von 6,7–7,6 auf 7,9–8,2 km/s an, allerdings in unterschiedlichen Tiefenstufen. Unter den Kontinenten beträgt die Tiefe des Abschnitts M (dh der Sohlen der Erdkruste) einige zehn Kilometer, und unter einigen Gebirgsstrukturen (Pamir, Anden) kann sie 60 km erreichen, während sie unter den Ozeanbecken einschließlich der Wassersäule beträgt die Tiefe nur 10-12 km. Im Allgemeinen erscheint die Erdkruste in diesem Schema als dünne Schale, während sich der Erdmantel in der Tiefe bis zu 45 % des Erdradius erstreckt.

Aber Mitte des 20. Jahrhunderts kamen Ideen über eine fraktionierte Tiefenstruktur der Erde in die Wissenschaft. Basierend auf neuen seismologischen Daten war es möglich, den Kern in einen inneren und einen äußeren und den Mantel in einen unteren und einen oberen zu unterteilen. Dieses beliebte Modell wird noch heute verwendet. Es wurde vom australischen Seismologen K.E. Bullen, der Anfang der 40er Jahre ein Schema zur Einteilung der Erde in Zonen vorschlug, die er mit Buchstaben bezeichnete: A - die Erdkruste, B - eine Zone im Tiefenintervall von 33-413 km, C - eine Zone von 413- 984 km, D - eine Zone von 984-2898 km , D - 2898-4982 km, F - 4982-5121 km, G - 5121-6371 km (Mittelpunkt der Erde). Diese Zonen unterscheiden sich in seismischen Eigenschaften. Später teilte er die Zone D in die Zonen D "(984-2700 km) und D" (2700-2900 km) ein. Gegenwärtig wurde dieses Schema erheblich modifiziert, und nur die D "-Schicht wird in der Literatur häufig verwendet. Ihr Hauptmerkmal ist die Abnahme der seismischen Geschwindigkeitsgradienten im Vergleich zur darüber liegenden Mantelregion.

Der innere Kern mit einem Radius von 1225 km ist massiv und hat eine hohe Dichte – 12,5 g/cm 3 . Der äußere Kern ist flüssig, seine Dichte beträgt 10 g/cm 3 . An der Grenze zwischen Kern und Mantel gibt es nicht nur einen starken Sprung in der Geschwindigkeit der Longitudinalwellen, sondern auch in der Dichte. Im Mantel sinkt sie auf 5,5 g/cm 3 . Davon betroffen ist die Schicht D“, die in direktem Kontakt mit dem äußeren Kern steht, da die Temperaturen im Kern die Temperaturen des Mantels deutlich übersteigen. Diese Schicht erzeugt stellenweise riesige Wärme- und Massenströme, die in Richtung Erdoberfläche gerichtet sind Durch den Mantel strömen Wärme- und Massenströme, sogenannte Plumes, die sich auf dem Planeten in Form großer Vulkanregionen manifestieren können, etwa auf den Hawaii-Inseln, Island und anderen Regionen.

Die obere Grenze der D"-Schicht ist unbestimmt; ihre Höhe von der Oberfläche des Kerns kann zwischen 200 und 500 km oder mehr variieren. Daraus kann geschlossen werden, dass diese Schicht einen ungleichmäßigen und unterschiedlich starken Zufluss von Kernenergie in die Kernenergie widerspiegelt Mantelregion.

Die Grenze des unteren und oberen Mantels im betrachteten Schema ist der seismische Abschnitt, der in einer Tiefe von 670 km liegt. Es hat eine globale Verteilung und wird durch einen Sprung der seismischen Geschwindigkeiten in Richtung ihrer Zunahme sowie eine Zunahme der Dichte der unteren Mantelmaterie gerechtfertigt. Dieser Abschnitt ist auch die Grenze von Änderungen in der mineralischen Zusammensetzung von Gesteinen im Mantel.

Somit erstreckt sich der untere Mantel, der zwischen den Tiefen von 670 und 2900 km eingeschlossen ist, über 2230 km entlang des Erdradius. Der obere Mantel hat einen gut befestigten inneren seismischen Abschnitt, der in einer Tiefe von 410 km verläuft. Wenn diese Grenze von oben nach unten überschritten wird, nehmen die seismischen Geschwindigkeiten stark zu. Hier, wie auch an der unteren Grenze des oberen Mantels, finden bedeutende Mineralumwandlungen statt.

Der obere Teil des oberen Erdmantels und die Erdkruste sind als Lithosphäre miteinander verschmolzen, die im Gegensatz zu Hydro und Atmosphäre die obere feste Hülle der Erde darstellt. Dank der Theorie der lithosphärischen Plattentektonik hat sich der Begriff „Lithosphäre“ verbreitet. Die Theorie geht von der Bewegung von Platten entlang der Asthenosphäre aus - einer erweichten, teilweise möglicherweise flüssigen Tiefenschicht mit reduzierter Viskosität. Die Seismologie zeigt jedoch keine im Weltraum aufrechterhaltene Asthenosphäre. Für viele Bereiche wurden mehrere asthenosphärische Schichten entlang der Vertikalen sowie deren Diskontinuität entlang der Horizontalen identifiziert. Ihr Wechsel ist besonders deutlich innerhalb der Kontinente, wo die Tiefe des Vorkommens von asthenosphärischen Schichten (Linsen) von 100 km bis zu vielen Hunderten variiert. Unter den ozeanischen Abgrundsenken liegt die asthenosphärische Schicht in Tiefen von 70–80 km oder weniger. Dementsprechend ist die untere Grenze der Lithosphäre tatsächlich unbestimmt, und dies bereitet große Schwierigkeiten für die Theorie der Kinematik der Lithosphärenplatten, was von vielen Forschern bemerkt wird.

Moderne Daten zu seismischen Grenzen

Mit der Durchführung seismologischer Studien werden Voraussetzungen geschaffen, um neue seismische Grenzen zu identifizieren. Als globale Grenzen gelten 410, 520, 670, 2900 km, wo die Zunahme seismischer Wellengeschwindigkeiten besonders auffällig ist. Zusammen mit ihnen werden Zwischengrenzen unterschieden: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 km. Darüber hinaus gibt es Hinweise von Geophysikern auf die Existenz der Grenzen 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 km. N.I. Pavlenkova hat kürzlich die Grenze 100 als globale Grenze herausgegriffen, die der unteren Ebene der Unterteilung des oberen Mantels in Blöcke entspricht. Zwischengrenzen haben eine unterschiedliche räumliche Verteilung, was auf die laterale Variabilität der physikalischen Eigenschaften des Mantels hinweist, von denen sie abhängen. Globale Grenzen repräsentieren eine andere Kategorie von Phänomenen. Sie entsprechen globalen Veränderungen in der Mantelumgebung entlang des Erdradius.

Die markierten globalen seismischen Grenzen werden bei der Konstruktion geologischer und geodynamischer Modelle verwendet, während Zwischengrenzen in diesem Sinne bisher fast keine Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben. Unterschiedliche Ausmaße und Intensitäten ihrer Manifestationen schaffen derweil eine empirische Basis für Hypothesen über Phänomene und Prozesse in den Tiefen des Planeten.

Die Zusammensetzung des oberen Mantels

Das Problem der Zusammensetzung, Struktur und Mineralverbände von tiefen Erdschalen oder Geosphären ist natürlich noch weit von einer endgültigen Lösung entfernt, aber neue experimentelle Ergebnisse und Ideen erweitern und detaillieren die entsprechenden Ideen erheblich.

Nach heutiger Auffassung wird die Zusammensetzung des Mantels von einer relativ kleinen Gruppe chemischer Elemente dominiert: Si, Mg, Fe, Al, Ca und O. Die vorgeschlagenen Modelle für die Zusammensetzung der Geosphären basieren hauptsächlich auf dem Unterschied in die Verhältnisse dieser Elemente (Variationen Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), sowie Unterschiede im Gehalt an Al und einigen anderen selteneren Elementen für tiefe Felsen. Entsprechend der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung erhielten diese Modelle ihre Namen: pyrolitisch (die Hauptmineralien sind Olivin, Pyroxene und Granat im Verhältnis 4: 2: 1), piclogitic (die Hauptmineralien sind Pyroxen und Granat und das Verhältnis Olivin ist auf 40 % reduziert) und eklogitisch, das neben der für Eklogite charakteristischen Pyroxen-Granat-Assoziation auch einige seltenere Mineralien enthält, insbesondere Al-haltiges Kyanit Al 2 SiO 5 (bis zu 10 Gew.-%). Alle diese petrologischen Modelle beziehen sich jedoch hauptsächlich auf Gesteine ​​des oberen Mantels, die sich bis in Tiefen von ~670 km erstrecken. Hinsichtlich der Massenzusammensetzung tieferer Geosphären wird lediglich angenommen, dass das Verhältnis von Oxiden zweiwertiger Elemente (MO) zu Kieselsäure (MO/SiO 2 ) ~ 2, also näher an Olivin (Mg, Fe) 2 als an SiO 4 liegt Pyroxen (Mg, Fe) SiO 3 , und unter den Mineralen überwiegen Perowskitphasen (Mg, Fe)SiO 3 mit verschiedenen Strukturverzerrungen, Magnesiowustit (Mg, Fe)O mit einer Struktur vom NaCl-Typ und einige andere Phasen in viel geringeren Mengen .

Alle vorgeschlagenen Modelle sind sehr verallgemeinert und hypothetisch. Das pyrolytische Modell des olivindominierten oberen Mantels legt nahe, dass seine chemische Zusammensetzung viel näher an der des gesamten tieferen Mantels liegt. Im Gegensatz dazu geht das piclogitische Modell von einem gewissen chemischen Kontrast zwischen dem oberen und dem restlichen Mantel aus. Ein spezielleres eklogitisches Modell ermöglicht das Vorhandensein separater eklogitischer Linsen und Blöcke im oberen Mantel.

Von großem Interesse ist der Versuch, die strukturmineralogischen und geophysikalischen Daten des oberen Erdmantels zu harmonisieren. Seit etwa 20 Jahren wird angenommen, dass die Zunahme der seismischen Wellengeschwindigkeiten in einer Tiefe von ~410 km hauptsächlich mit der strukturellen Umlagerung von Olivin a-(Mg, Fe) 2 SiO 4 in Wadsleyit b-(Mg, Fe) zusammenhängt. 2 SiO 4 , begleitet von der Bildung einer dichteren Phase mit großen Elastizitätskoeffizienten. Geophysikalischen Daten zufolge nehmen in solchen Tiefen im Erdinneren die Geschwindigkeiten seismischer Wellen um 3–5% zu, während die strukturelle Umlagerung von Olivin in Wadsleyit (gemäß den Werten ihrer Elastizitätsmoduln) mit einer Zunahme einhergehen sollte in seismischen Wellengeschwindigkeiten um etwa 13 %. Gleichzeitig zeigten die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen von Olivin und einer Olivin-Pyroxen-Mischung bei hohen Temperaturen und Drücken eine vollständige Übereinstimmung zwischen der berechneten und der experimentellen Zunahme seismischer Wellengeschwindigkeiten im Tiefenintervall von 200-400 km. Da Olivin ungefähr die gleiche Elastizität wie hochdichte monokline Pyroxene hat, sollten diese Daten auf das Fehlen eines hochelastischen Granats in der darunter liegenden Zone hinweisen, dessen Vorhandensein im Mantel unweigerlich zu einem deutlicheren Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeiten führen würde. Diese Vorstellungen über den granatlosen Mantel gerieten jedoch in Konflikt mit den petrologischen Modellen seiner Zusammensetzung.

Daher entstand die Idee, dass der Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeiten in einer Tiefe von 410 km hauptsächlich mit der strukturellen Umordnung von Pyroxen-Granaten in Na-angereicherten Teilen des oberen Mantels zusammenhängt. Ein solches Modell geht von einer fast vollständigen Abwesenheit von Konvektion im oberen Mantel aus, was modernen geodynamischen Konzepten widerspricht. Die Überwindung dieser Widersprüche kann mit dem kürzlich vorgeschlagenen vollständigeren Modell des oberen Mantels in Verbindung gebracht werden, das den Einbau von Eisen- und Wasserstoffatomen in die Wadsleyit-Struktur ermöglicht.

Während der polymorphe Übergang von Olivin zu Wadsleyit nicht mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung einhergeht, findet in Gegenwart von Granat eine Reaktion statt, die zur Bildung von Wadsleyit führt, das im Vergleich zum ursprünglichen Olivin an Fe angereichert ist. Außerdem kann Wadsleyit deutlich mehr Wasserstoffatome enthalten als Olivin. Die Beteiligung von Fe- und H-Atomen an der Wadsleyitstruktur führt zu einer Verringerung ihrer Steifigkeit und dementsprechend zu einer Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen, die dieses Mineral durchdringen.

Darüber hinaus deutet die Bildung von Fe-angereichertem Wadsleyit auf die Beteiligung einer größeren Menge Olivin an der entsprechenden Reaktion hin, die von einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Gesteins in der Nähe von Abschnitt 410 begleitet sein sollte. Vorstellungen über diese Umwandlungen werden von modernen globalen bestätigt seismische Daten. Insgesamt scheint die mineralogische Zusammensetzung dieses Teils des oberen Erdmantels mehr oder weniger klar zu sein. Was den pyrolitischen Mineralverband betrifft, so ist dessen Umwandlung bis in Tiefen von ~800 km hinreichend detailliert untersucht worden. In diesem Fall entspricht die globale seismische Grenze in einer Tiefe von 520 km der Umlagerung von Wadsleyit b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 in Ringwoodit – g-Modifikation von (Mg, Fe) 2 SiO 4 mit einer Spinellstruktur. Die Umwandlung von Pyroxen (Mg, Fe)SiO 3 Granat Mg 3 (Fe, Al, Si) 2 Si 3 O 12 findet im oberen Mantel über einen größeren Tiefenbereich statt. Somit enthält die gesamte relativ homogene Hülle im Intervall von 400-600 km des oberen Mantels hauptsächlich Phasen mit Granat- und Spinell-Strukturtypen.

Alle derzeit vorgeschlagenen Modelle für die Zusammensetzung von Mantelgesteinen geben an, dass sie Al 2 O 3 in einer Menge von ~4 Gew.-% enthalten. %, was sich auch auf die Besonderheiten struktureller Transformationen auswirkt. Gleichzeitig wird angemerkt, dass in einigen Bereichen des oberen Erdmantels mit heterogener Zusammensetzung Al in Mineralen wie Korund Al 2 O 3 oder Kyanit Al 2 SiO 5 konzentriert sein kann, was bei Drücken und Temperaturen entsprechend Tiefen von ~ 450 km, wandelt sich in Korund um und Stishovit ist eine Modifikation von SiO 2 , dessen Struktur ein Gerüst aus SiO 6 -Oktaedern enthält. Diese beiden Mineralien sind nicht nur im unteren Mantel, sondern auch tiefer erhalten.

Der wichtigste Bestandteil der chemischen Zusammensetzung der 400-670-km-Zone ist Wasser, dessen Gehalt nach einigen Schätzungen ~0,1 Gew.-% beträgt. % und dessen Vorhandensein hauptsächlich mit Mg-Silikaten in Verbindung gebracht wird. Die in dieser Hülle gespeicherte Wassermenge ist so groß, dass sie auf der Erdoberfläche eine Schicht von 800 m Dicke bilden würde.

Zusammensetzung des Mantels unterhalb der Grenze von 670 km

Die in den letzten zwei oder drei Jahrzehnten mit Hochdruck-Röntgenkammern durchgeführten Studien zu Strukturübergängen von Mineralien ermöglichten die Modellierung einiger Merkmale der Zusammensetzung und Struktur der Geosphären, die tiefer als die 670-km-Grenze liegen.

Bei diesen Experimenten wird der zu untersuchende Kristall zwischen zwei Diamantpyramiden (Ambosse) platziert, die, wenn sie zusammengedrückt werden, einen Druck erzeugen, der dem Druck innerhalb des Mantels und des Erdkerns entspricht. Dennoch gibt es noch viele Fragen zu diesem Teil des Mantels, der mehr als die Hälfte des gesamten Erdinneren ausmacht. Derzeit stimmen die meisten Forscher der Vorstellung zu, dass dieser gesamte tiefe (im traditionellen Sinne niedrigere) Mantel hauptsächlich aus einer perowskitähnlichen Phase (Mg,Fe)SiO 3 besteht, die etwa 70 % seines Volumens ausmacht (40 % des Gesamterde) und Magnesiowiustit (Mg, Fe)O (~20 %). Die restlichen 10 % sind Stishovit- und Oxidphasen, die Ca, Na, K, Al und Fe enthalten, deren Kristallisation in den Strukturtypen Ilmenit-Korund (Mischkristall (Mg, Fe)SiO 3 -Al 2 O 3) erlaubt ist. , kubischer Perowskit (CaSiO 3) und Ca-Ferrit (NaAlSiO 4). Die Bildung dieser Verbindungen ist mit verschiedenen Strukturumwandlungen von Mineralien im oberen Erdmantel verbunden. Gleichzeitig wandelt sich eine der wichtigsten Mineralphasen einer relativ homogenen Hülle, die im Tiefenintervall von 410–670 km liegt, spinellartiger Ringwoodit, in eine Assoziation von (Mg, Fe)-Perowskit und Mg-Wustit um Kurve von 670 km, wo der Druck ~24 GPa beträgt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Übergangszone, ein Vertreter der Granatfamilie, Pyrop Mg 3 Al 2 Si 3 O 12, erfährt eine Umwandlung unter Bildung von rhombischem Perowskit (Mg, Fe) SiO 3 und einer festen Lösung von Korund-Ilmenit ( Mg, Fe) SiO 3 - Al 2 O 3 bei mehreren hohen Drücken. Dieser Übergang ist mit einer Änderung der Geschwindigkeiten seismischer Wellen an der Wende von 850-900 km verbunden, was einer der mittleren seismischen Grenzen entspricht. Die Umwandlung von Andradit-Sagarnet bei niedrigeren Drücken von ~21 GPa führt zur Bildung einer weiteren wichtigen Ca 3 Fe 2 3+ Si 3 O 12 -Komponente, die oben erwähnt wurde, im unteren Erdmantel, dem kubischen Saperowskit CaSiO 3 . Das Polarverhältnis zwischen den Hauptmineralen dieser Zone (Mg,Fe) – Perowskit (Mg,Fe)SiO 3 und Mg-Wustit (Mg, Fe)O variiert über einen ziemlich weiten Bereich und in einer Tiefe von ~1170 km bei a Druck von ~29 GPa und Temperaturen von 2000 -2800 0 C ändert sich von 2:1 auf 3:1.

Die außergewöhnliche Stabilität von MgSiO 3 mit einer rhombischen Perowskitstruktur in einem weiten Druckbereich, der den Tiefen des unteren Mantels entspricht, ermöglicht es uns, es als einen der Hauptbestandteile dieser Geosphäre zu betrachten. Grundlage für diese Schlussfolgerung waren die Experimente, bei denen Proben von Mg-Perowskit MgSiO 3 einem 1,3 Millionen Mal höheren Druck als Atmosphärendruck ausgesetzt und gleichzeitig einem Laserstrahl mit einer Temperatur von etwa 2000 0 C ausgesetzt wurden zu einer Probe, die zwischen Diamantambossen platziert wurde, und simulierten so die Bedingungen, die in Tiefen von ~2800 km herrschen, also nahe der unteren Grenze des unteren Erdmantels. Es stellte sich heraus, dass das Mineral weder während noch nach dem Experiment seine Struktur und Zusammensetzung veränderte. So kamen L. Liu sowie E. Nittle und E. Zhanloz zu dem Schluss, dass die Stabilität von Mg-Perowskit es uns erlaubt, es als das häufigste Mineral auf der Erde zu betrachten, das anscheinend fast die Hälfte seiner Masse ausmacht.

Wustit F x O ist nicht weniger stabil, dessen Zusammensetzung unter Bedingungen des unteren Mantels durch den Wert des stöchiometrischen Koeffizienten x gekennzeichnet ist< 0,98, что означает одновременное присутствие в его составе Fe 2+ и Fe 3+ . При этом, согласно экспериментальным данным, температура плавления вюстита на границе нижней мантии и слоя D", по данным Р. Болера (1996), оценивается в ~5000 K, что намного выше 3800 0 С, предполагаемой для этого уровня (при средних температурах мантии ~2500 0 С в основании нижней мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300 0 С). Таким образом, вюстит должен сохраниться на этом рубеже в твердом состоянии, а признание фазового контраста между твердой нижней мантией и жидким внешним ядром требует более гибкого подхода и уж во всяком случае не означает четко очерченной границы между ними.

Es sollte beachtet werden, dass die in großen Tiefen vorherrschenden perowskitähnlichen Phasen eine sehr begrenzte Menge an Fe enthalten können und erhöhte Konzentrationen an Fe unter den Mineralien der tiefen Assoziation nur für Magnesiowustit charakteristisch sind. Gleichzeitig besteht für Magnesiowiustit die Möglichkeit, dass unter dem Einfluss hoher Drücke ein Teil des darin enthaltenen Eisens in Eisen (III) übergeht, das in der Struktur des Minerals verbleibt, bei gleichzeitiger Freisetzung der entsprechenden Menge an neutrales Eisen, hat sich bewährt. Basierend auf diesen Daten haben H. Mao, P. Bell und T. Yagi, Mitarbeiter des geophysikalischen Labors des Carnegie Institute, neue Ideen zur Differenzierung von Materie in den Tiefen der Erde vorgelegt. In der ersten Stufe sinkt Magnesiowustit aufgrund der Schwerkraftinstabilität bis zu einer Tiefe, wo unter dem Einfluss von Druck ein Teil des Eisens in neutraler Form daraus freigesetzt wird. Restlicher Magnesiowustit, der sich durch eine geringere Dichte auszeichnet, steigt in die oberen Schichten auf, wo er sich wieder mit perowskitähnlichen Phasen vermischt. Der Kontakt mit ihnen geht mit der Wiederherstellung der Stöchiometrie (dh des ganzzahligen Verhältnisses der Elemente in der chemischen Formel) von Magnesiowiustit einher und führt zu der Möglichkeit, den beschriebenen Prozess zu wiederholen. Die neuen Daten ermöglichen es, den Satz chemischer Elemente, die für den tiefen Mantel wahrscheinlich sind, etwas zu erweitern. Beispielsweise weist die von N. Ross (1997) belegte Stabilität von Magnesit bei Drücken, die Tiefen von etwa 900 km entsprechen, auf das mögliche Vorhandensein von Kohlenstoff in seiner Zusammensetzung hin.

Die Identifizierung einzelner seismischer Zwischengrenzen unterhalb der 670-Linie korreliert mit Daten zu strukturellen Umwandlungen von Mantelmineralien, deren Formen sehr unterschiedlich sein können. Eine Veranschaulichung der Veränderung vieler Eigenschaften verschiedener Kristalle bei hohen Werten physikalisch-chemischer Parameter, die dem tiefen Mantel entsprechen, kann laut R. Jeanlose und R. Hazen die bei Experimenten aufgezeichnete Umlagerung der ionenkovalenten Bindungen von Wüstit sein bei Drücken von 70 Gigapascal (GPa) (~1700 km) in Verbindung mit der metallischen Art von interatomaren Wechselwirkungen. Der 1200-Meilenstein kann der Umlagerung von SiO 2 mit der Stishovit-Struktur in den Strukturtyp CaCl 2 (rhombisches Analogon von Rutil-TiO 2) und 2000 km - seiner anschließenden Umwandlung in eine Phase mit einer Struktur zwischen a-PbO 2 und entsprechen ZrO 2 , gekennzeichnet durch eine dichtere Packung von Silizium-Sauerstoff-Oktaedern (Daten von L. S. Dubrovinsky et al.). Außerdem ist ab diesen Tiefen (~2000 km) bei Drücken von 80–90 GPa die Zersetzung von perowskitartigem MgSiO 3 erlaubt, begleitet von einer Erhöhung des Gehalts an Periklas-MgO und freiem Siliziumdioxid. Bei einem etwas höheren Druck (~96 GPa) und einer Temperatur von 800 0 C wurde eine Manifestation von Polytypie in FeO festgestellt, verbunden mit der Bildung von Strukturfragmenten des Nickelin-NiAs-Typs, abwechselnd mit Anti-Nickel-Domänen, in denen Fe Atome befinden sich in den Positionen von As-Atomen und O-Atomen - in Positionen von Ni-Atomen. In der Nähe der D"-Grenze findet die Umwandlung von Al 2 O 3 mit der Korundstruktur in eine Phase mit der Rh 2 O 3 -Struktur statt, die experimentell bei Drücken von ~100 GPa modelliert wird, d. h. in einer Tiefe von ~2200–2300 km Mit der Mössbauer-Spektroskopiemethode bei gleichem Druck der Übergang vom High-Spin- (HS) zum Low-Spin-Zustand (LS) von Fe-Atomen in der Struktur von Magnesiowustit, dh eine Änderung ihrer elektronischen Struktur. In diesem Zusammenhang sollte betont werden, dass die Struktur von Wüstit FeO bei hohem Druck durch kompositorische Nichtstöchiometrie, Atompackungsdefekte, Polytypien und auch eine Änderung der magnetischen Ordnung, verbunden mit einer Änderung der elektronischen Struktur (HS => LS - Übergang) von Fe-Atomen Die genannten Merkmale erlauben es uns, Wüstit als eines der komplexesten Mineralien mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu betrachten, die die Besonderheiten der tiefen Zonen der Erde bestimmen, die nahe der D-Grenze damit angereichert sind.

Seismologische Messungen weisen darauf hin, dass sowohl der innere (feste) als auch der äußere (flüssige) Erdkern durch eine geringere Dichte gekennzeichnet sind, verglichen mit dem Wert, der auf der Grundlage eines Kernmodells erhalten wird, das nur aus metallischem Eisen mit denselben physikalisch-chemischen Parametern besteht. Die meisten Forscher führen diese Abnahme der Dichte auf das Vorhandensein von Elementen wie Si, O, S und sogar O im Kern zurück, die mit Eisen Legierungen bilden. Unter den Phasen, die für solche "Faustschen" physikalisch-chemischen Bedingungen (Drücke ~250 GPa und Temperaturen 4000–6500 0 C) wahrscheinlich sind, werden Fe 3 S mit einem bekannten Strukturtyp von Cu 3 Au und Fe 7 S genannt. Eine andere Phase wird in angenommen der Kern ist b-Fe, dessen Struktur durch eine vierlagige dichteste Packung von Fe-Atomen gekennzeichnet ist. Die Schmelztemperatur dieser Phase wird auf 5000 0 C bei einem Druck von 360 GPa geschätzt. Das Vorhandensein von Wasserstoff im Kern ist aufgrund seiner geringen Löslichkeit in Eisen bei atmosphärischem Druck seit langem umstritten. Neuere Experimente (Daten von J. Badding, H. Mao und R. Hamley (1992)) ermöglichten jedoch den Nachweis, dass sich Eisenhydrid FeH bei hohen Temperaturen und Drücken bilden kann und bei Drücken über 62 GPa stabil ist, was entspricht Tiefen von ~1600 km . In dieser Hinsicht ist das Vorhandensein erheblicher Mengen (bis zu 40 Mol-%) Wasserstoff im Kern durchaus akzeptabel und reduziert seine Dichte auf Werte, die mit seismologischen Daten übereinstimmen.

Es kann vorhergesagt werden, dass neue Daten über strukturelle Veränderungen in Mineralphasen in großen Tiefen eine adäquate Interpretation anderer wichtiger geophysikalischer Grenzen im Erdinneren ermöglichen werden. Die allgemeine Schlussfolgerung ist, dass es an solchen globalen seismischen Grenzen wie 410 und 670 km signifikante Veränderungen in der Mineralzusammensetzung des Mantelgesteins gibt. Mineralumwandlungen werden auch in Tiefen von ~850, 1200, 1700, 2000 und 2200-2300 km festgestellt, dh innerhalb des unteren Mantels. Dies ist ein sehr wichtiger Umstand, der es ermöglicht, die Idee seiner homogenen Struktur aufzugeben.

Viele Menschen wissen, dass der Planet Erde im seismischen (tektonischen) Sinne aus Kern, Mantel und Lithosphäre (Kruste) besteht. Wir werden überlegen, was ein Mantel ist. Dies ist eine Schicht oder Zwischenschale, die sich zwischen dem Kern und der Rinde befindet. Der Mantel macht 83 % des Erdvolumens aus. Wenn wir das Gewicht nehmen, dann sind 67 % der Erde der Erdmantel.

Zwei Schichten Mantel

Noch zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wurde allgemein angenommen, dass der Mantel homogen ist, aber Mitte des Jahrhunderts kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass er aus zwei Schichten besteht. Die dem Kern am nächsten liegende Schicht ist der untere Mantel. Die Schicht, die an die Lithosphäre grenzt, ist der obere Mantel. Der obere Mantel reicht etwa 600 Kilometer tief in die Erde. Die untere Grenze des unteren Mantels liegt in einer Tiefe von bis zu 2900 Kilometern.

Woraus besteht der Mantel?

Wissenschaftlern ist es noch nicht gelungen, sich dem Mantel zu nähern. Keine Bohrung hat es bisher möglich gemacht, sich ihm zu nähern. Daher wird alle Forschung nicht experimentell, sondern theoretisch und indirekt durchgeführt. Wissenschaftler ziehen ihre Rückschlüsse auf den Erdmantel vor allem auf der Grundlage geophysikalischer Untersuchungen. Berücksichtigt werden elektrische Leitfähigkeit, seismische Wellen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit und Stärke.

Japanische Wissenschaftler haben ihre Absicht angekündigt, sich dem Erdmantel durch Bohrungen durch ozeanisches Gestein zu nähern, aber ihre Pläne wurden bisher noch nicht in die Praxis umgesetzt. Am Grund des Ozeans wurden bereits einige Stellen gefunden, an denen die Schicht der Erdkruste am dünnsten ist, dh nur etwa 3.000 km bis zum oberen Teil des Erdmantels gebohrt werden können. Die Schwierigkeit liegt darin, dass auf dem Grund des Ozeans gebohrt werden soll und der Bohrer gleichzeitig durch Bereiche mit schwerem Gestein gehen muss, was mit dem Versuch eines Schwanzes verglichen werden kann eines Fadens, um die Wände eines Fingerhuts zu durchbrechen. Zweifellos würde die Möglichkeit, direkt aus dem Mantel entnommene Gesteinsproben zu untersuchen, eine genauere Vorstellung von seiner Struktur und Zusammensetzung vermitteln.

Diamanten und Peridote

Aufschlussreich sind die Mantelgesteine, die durch verschiedene geophysikalische und seismische Prozesse an der Erdoberfläche entstehen. Diamanten gehören beispielsweise zu den Mantelgesteinen. Einige von ihnen, vermuten die Forscher, erheben sich aus dem unteren Mantel. Die häufigsten Rassen sind Peridots. Sie werden oft durch Vulkanausbrüche in die Lava geschleudert. Das Studium des Mantelgesteins ermöglicht es Wissenschaftlern, mit einer gewissen Genauigkeit über die Zusammensetzung und die Hauptmerkmale des Mantels zu sprechen.

Flüssiger Zustand und Wasser

Der Mantel besteht aus Silikatgestein, das reich an Magnesium und Eisen ist. Alle Substanzen, aus denen der Mantel besteht, sind weißglühend. geschmolzener, flüssiger Zustand, weil die Temperatur dieser Schicht ziemlich hoch ist - bis zu zweieinhalbtausend Grad. Auch Wasser ist Teil des Erdmantels. Mengenmäßig gibt es davon 12-mal mehr als in den Weltmeeren. Der Wasservorrat im Mantel ist so groß, dass das Wasser, wenn es auf die Erdoberfläche gespritzt würde, 800 Meter über die Oberfläche steigen würde.

Prozesse im Mantel

Die Mantelgrenze ist keine gerade Linie. Im Gegenteil, an manchen Stellen, zum Beispiel im Alpenraum, auf dem Grund der Ozeane, ragen Mantel, also mit dem Mantel verwandte Gesteine, ziemlich nahe an die Erdoberfläche. Es sind die im Erdmantel ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse, die das Geschehen in der Erdkruste und auf der Erdoberfläche beeinflussen. Wir sprechen über die Entstehung von Bergen, Ozeanen, die Bewegung von Kontinenten.

Unter der Erdkruste befindet sich die nächste Schicht, der sogenannte Erdmantel. Sie umgibt den Kern des Planeten und ist fast dreitausend Kilometer dick. Der Aufbau des Erdmantels ist sehr komplex und bedarf daher einer detaillierten Untersuchung.

Mantel und seine Eigenschaften

Der Name dieser Hülle (Geosphäre) kommt vom griechischen Wort für Umhang oder Schleier. Tatsächlich legt sich der Mantel wie ein Schleier um den Kern. Es macht etwa 2/3 der Masse der Erde und etwa 83% ihres Volumens aus.

Es ist allgemein anerkannt, dass die Temperatur der Schale 2500 Grad Celsius nicht überschreitet. Seine Dichte in verschiedenen Schichten unterscheidet sich erheblich: im oberen Teil beträgt sie bis zu 3,5 t/m3 und im unteren Teil 6 t/m3. Der Mantel besteht aus festen kristallinen Substanzen (Schwermineralien reich an Eisen und Magnesium). Die einzige Ausnahme ist die Asthenosphäre, die sich in einem halbgeschmolzenen Zustand befindet.

Shell-Struktur

Betrachten Sie nun den Aufbau des Erdmantels. Die Geosphäre besteht aus folgenden Teilen:

• oberer Mantel, 800-900 km dick;
• Asthenosphäre;
• Unterer Mantel, etwa 2000 km dick.

Der obere Mantel ist der Teil der Schale, der sich unter der Erdkruste befindet und in die Lithosphäre eintritt. Sie ist wiederum in die Asthenosphäre und die Golitsyn-Schicht unterteilt, die durch einen starken Anstieg seismischer Wellengeschwindigkeiten gekennzeichnet ist. Dieser Teil des Erdmantels beeinflusst Prozesse wie plattentektonische Bewegungen, Metamorphose und Magmatismus. Es ist erwähnenswert, dass seine Struktur unterschiedlich ist, je nachdem, unter welchem ​​​​tektonischen Objekt es sich befindet.

Asthenosphäre. Der Name der mittleren Schicht der Schale wird aus dem Griechischen als „schwache Kugel“ übersetzt. Die Geosphäre, die dem oberen Teil des Mantels zugerechnet und manchmal als separate Schicht isoliert wird, zeichnet sich durch eine verringerte Härte, Festigkeit und Viskosität aus. Die obere Grenze der Asthenosphäre liegt immer unterhalb der äußersten Linie der Erdkruste: unter den Kontinenten - in einer Tiefe von 100 km, unter dem Meeresboden - 50 km. Seine untere Linie befindet sich in einer Tiefe von 250-300 km. Die Asthenosphäre ist die Hauptquelle von Magma auf dem Planeten, und die Bewegung von amorpher und plastischer Materie gilt als Ursache für tektonische Bewegungen in der horizontalen und vertikalen Ebene, Magmatismus und Metamorphose der Erdkruste.

Wissenschaftler wissen wenig über den unteren Teil des Mantels. Es wird angenommen, dass sich an der Grenze zum Kern eine spezielle Schicht D befindet, die der Asthenosphäre ähnelt. Es ist durch hohe Temperatur (aufgrund der Nähe des rotglühenden Kerns) und Inhomogenität der Materie gekennzeichnet. Die Zusammensetzung der Masse umfasst Eisen und Nickel.

Zusammensetzung des Erdmantels

Neben dem Aufbau des Erdmantels ist auch dessen Zusammensetzung interessant. Die Geosphäre wird von Olivin und ultramafischen Gesteinen (Peridotiten, Perowskiten, Duniten) gebildet, aber es gibt auch mafische Gesteine ​​(Eklogite). Es wurde festgestellt, dass die Schale seltene Sorten enthält, die nicht in der Erdkruste vorkommen (Grospidite, Phlogopit-Peridotiten, Karbonatite).

Wenn wir über die chemische Zusammensetzung sprechen, enthält der Mantel in verschiedenen Konzentrationen: Sauerstoff, Magnesium, Silizium, Eisen, Aluminium, Kalzium, Natrium und Kalium sowie deren Oxide.

Mantel und seine Studie - Video

Der Erdmantel ist der wichtigste Teil unseres Planeten, da hier die meisten Stoffe konzentriert sind. Es ist viel dicker als die übrigen Komponenten und nimmt tatsächlich den größten Teil des Platzes ein - etwa 80%. Wissenschaftler haben die meiste Zeit der Erforschung dieses speziellen Teils des Planeten gewidmet.

Struktur

Über die Struktur des Mantels können Wissenschaftler nur spekulieren, da es keine Methoden gibt, die diese Frage eindeutig beantworten würden. Die durchgeführten Studien ließen jedoch vermuten, dass dieser Teil unseres Planeten aus folgenden Schichten besteht:

• die erste, die äußere, nimmt 30 bis 400 Kilometer der Erdoberfläche ein;
• die Übergangszone, die sich unmittelbar hinter der äußeren Schicht befindet - laut Wissenschaftlern reicht sie bis in etwa 250 Kilometer Tiefe;
• die untere Schicht - ihre Länge ist mit etwa 2900 Kilometern die größte. Es beginnt direkt nach der Wechselzone und geht direkt in den Kern.

Es sollte beachtet werden, dass es im Mantel des Planeten solche Felsen gibt, die sich nicht in der Erdkruste befinden.

Verbindung

Es versteht sich von selbst, dass es unmöglich ist, genau festzustellen, woraus der Mantel unseres Planeten besteht, da es unmöglich ist, dorthin zu gelangen. Daher geschieht alles, was Wissenschaftler untersuchen, mit Hilfe von Fragmenten dieses Bereichs, die regelmäßig auf der Oberfläche erscheinen.

So konnte nach einer Reihe von Studien herausgefunden werden, dass dieser Teil der Erde schwarz und grün ist. Die Hauptzusammensetzung sind Gesteine, die aus folgenden chemischen Elementen bestehen:

• Silizium;
• Kalzium;
• Magnesium;
• Eisen;
• Sauerstoff.

Im Aussehen und in gewisser Weise sogar in der Zusammensetzung ist es Steinmeteoriten sehr ähnlich, die ebenfalls regelmäßig auf unseren Planeten fallen.

Die Substanzen, die sich im Mantel selbst befinden, sind flüssig, zähflüssig, da die Temperatur in diesem Bereich Tausende von Grad übersteigt. Näher an der Erdkruste nimmt die Temperatur ab. Somit findet eine gewisse Zirkulation statt - die bereits abgekühlten Massen sinken und die bis zum Limit erhitzten steigen auf, sodass der Prozess des "Mischens" nie aufhört.

In regelmäßigen Abständen fallen solche erhitzten Ströme in die Kruste des Planeten, in der sie von aktiven Vulkanen unterstützt werden.

Wege zu studieren

Es versteht sich von selbst, dass Schichten in großen Tiefen ziemlich schwierig zu untersuchen sind, und das nicht nur, weil es keine solche Technik gibt. Erschwert wird der Prozess auch dadurch, dass die Temperatur nahezu ständig ansteigt und gleichzeitig auch die Dichte zunimmt. Daher können wir sagen, dass die Tiefe der Schicht in diesem Fall das geringste Problem darstellt.

Dennoch gelang es den Wissenschaftlern, die Untersuchung dieses Problems voranzutreiben. Um diesen Teil unseres Planeten zu untersuchen, wurden geophysikalische Indikatoren als Hauptinformationsquelle ausgewählt. Darüber hinaus verwenden die Wissenschaftler während der Studie die folgenden Daten:

• seismische Wellengeschwindigkeit;
• Schwere;
• Eigenschaften und Indikatoren der elektrischen Leitfähigkeit;
• die Untersuchung von magmatischen Gesteinen und Fragmenten des Mantels, die selten sind, aber immer noch auf der Erdoberfläche gefunden werden können.

Was letztere betrifft, verdienen hier Diamanten besondere Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern - ihrer Meinung nach kann man durch die Untersuchung der Zusammensetzung und Struktur dieses Steins auch über die unteren Schichten des Mantels viele interessante Dinge herausfinden.

Gelegentlich gibt es aber Mantelfelsen. Ihr Studium ermöglicht es Ihnen auch, wertvolle Informationen zu erhalten, aber bis zu einem gewissen Grad wird es immer noch Verzerrungen geben. Dies liegt daran, dass in der Kruste verschiedene Prozesse ablaufen, die sich etwas von denen unterscheiden, die in den Tiefen unseres Planeten ablaufen.

Unabhängig davon sollten wir über die Technik sprechen, mit der Wissenschaftler versuchen, die ursprünglichen Gesteine ​​​​des Mantels zu erhalten. So wurde 2005 in Japan ein Spezialschiff gebaut, das laut den Entwicklern des Projekts in der Lage sein wird, einen Rekordtiefbrunnen zu machen. Derzeit wird noch daran gearbeitet, der Start des Projekts ist für 2020 geplant – es gibt nicht so viel zu warten.

Jetzt werden alle Studien zum Aufbau des Mantels im Rahmen des Labors durchgeführt. Wissenschaftler haben bereits genau festgestellt, dass die untere Schicht dieses Teils des Planeten fast vollständig aus Silizium besteht.

Druck und Temperatur

Die Druckverteilung innerhalb des Mantels ist in der Tat mehrdeutig, ebenso wie das Temperaturregime, aber der Reihe nach. Der Mantel macht mehr als die Hälfte des Planetengewichts aus, genauer gesagt 67 %. In Gebieten unter der Erdkruste beträgt der Druck etwa 1,3 bis 1,4 Millionen atm, wobei zu beachten ist, dass an Orten, an denen sich die Ozeane befinden, das Druckniveau erheblich abfällt.

Was das Temperaturregime betrifft, sind die Daten hier völlig zweideutig und basieren nur auf theoretischen Annahmen. An der Mantelsohle wird also eine Temperatur von 1500-10.000 Grad Celsius angenommen. Im Allgemeinen haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass das Temperaturniveau in diesem Teil des Planeten näher am Schmelzpunkt liegt.