Астеносфера

Астеносфера — это слой верхней мантии Земли, расположенный непосредственно под литосферой, характеризующийся пониженной вязкостью, пластичностью и способностью к медленному течению (конвекции). Астеносфера играет ключевую роль в тектонике литосферных плит, обеспечивая их горизонтальное перемещение и изостатическое равновесие.

Расположение и границы

Астеносфера залегает на глубинах от примерно 80–100 км под континентами и от 50–70 км под океанами. Её нижняя граница не является резкой и обычно определяется на глубинах от 200 до 400 км, хотя в некоторых регионах (например, под активными рифтовыми зонами) она может опускаться до 700 км. Точное положение и мощность астеносферы варьируют в зависимости от тектонической обстановки: под древними кратонами она может быть слабо выражена или отсутствовать, а под срединно-океаническими хребтами — подниматься ближе к поверхности.

Физические свойства

Вязкость и пластичность

Астеносфера отличается от вышележащей литосферы значительно меньшей вязкостью. Вязкость астеносферы оценивается в диапазоне от 10¹⁸ до 10²¹ Па·с, что на несколько порядков ниже вязкости литосферы (10²³–10²⁵ Па·с). Это свойство обусловлено частичным плавлением пород (обычно 1–10% расплава) и высокими температурами, близкими к точке плавления. Благодаря низкой вязкости астеносфера ведёт себя как пластичная, медленно текущая среда, способная деформироваться под действием длительных напряжений.

Температура и давление

Температура в астеносфере достигает 1200–1400 °C, что близко к температуре солидуса (начала плавления) перидотита — основной породы верхней мантии. Давление на этих глубинах составляет 1–3 ГПа. Сочетание высокой температуры и давления приводит к частичному плавлению, которое, однако, не является полным из-за присутствия летучих компонентов (воды, углекислого газа), снижающих температуру солидуса.

Сейсмические характеристики

Астеносфера выделяется пониженными скоростями сейсмических волн по сравнению с литосферой. Это явление получило название «сейсмический волновод» или «зона пониженных скоростей» (ЗПС). Скорость поперечных S-волн в астеносфере падает на 5–10%, а продольных P-волн — на 2–3%. Такое снижение объясняется частичным плавлением и повышенной пластичностью. Сейсмическая томография позволяет картировать астеносферу как область с аномально низкой скоростью волн, что подтверждает её глобальное распространение, хотя и с локальными вариациями.

Состав и вещественный состав

Астеносфера сложена преимущественно ультраосновными породами — перидотитами (главным образом лерцолитами и гарцбургитами). В её составе преобладают оливин (40–60%), пироксены (20–30%) и гранат (до 10%). В зонах частичного плавления образуется базальтовый расплав, который отделяется от твёрдого остатка и может подниматься к поверхности, формируя магматические очаги. Летучие компоненты (вода, углекислый газ) присутствуют в виде флюидов, что существенно влияет на температуру плавления и вязкость.

Роль в тектонике плит

Движение литосферных плит

Астеносфера служит «смазкой» для литосферных плит. Благодаря своей пластичности она позволяет жёсткой литосфере скользить по ней, как по конвейеру. Конвективные течения в астеносфере, вызванные тепловыми градиентами, создают силы, которые перемещают плиты. В зонах спрединга (срединно-океанические хребты) астеносфера поднимается к поверхности, частично плавится и формирует новую океаническую кору. В зонах субдукции, наоборот, литосферная плита погружается в астеносферу, где переплавляется.

Изостазия

Астеносфера обеспечивает изостатическое равновесие литосферы. Если на литосферу действует нагрузка (например, ледник или горный массив), она прогибается, а астеносфера под ней вытекает в стороны. После снятия нагрузки (таяние ледника) литосфера поднимается, а астеносфера возвращается на место. Этот процесс, называемый гляциоизостазией, продолжается тысячелетиями — например, в Скандинавии земная кора до сих пор поднимается после отступления ледника последнего оледенения.

Магматизм

Частичное плавление в астеносфере является источником магмы для внутриплитного вулканизма. В горячих точках (например, под Гавайскими островами или Исландией) мантийные плюмы — восходящие потоки астеносферного материала — прорывают литосферу и вызывают извержения. В зонах субдукции астеносфера, обогащённая водой из погружающейся плиты, плавится при более низких температурах, что порождает андезитовый и базальтовый магматизм.

Граница с литосферой

Переход от литосферы к астеносфере (граница LVA — литосфера-астеносфера) не является резкой поверхностью, а представляет собой переходную зону толщиной от нескольких километров до десятков километров. Эта граница определяется по изменению реологических свойств: в литосфере породы ведут себя как упругие твёрдые тела, а в астеносфере — как пластичные. Сейсмически граница LVA фиксируется по резкому падению скорости S-волн и увеличению затухания. В некоторых регионах, особенно под древними платформами, астеносфера может отсутствовать, и литосфера непосредственно контактирует с более вязкой нижней мантией.

Методы изучения

Основные методы исследования астеносферы включают:

• Сейсмическая томография — построение трёхмерных моделей скоростей сейсмических волн, позволяющее выявлять зоны пониженных скоростей.
• Геоэлектрика — магнитотеллурическое зондирование, регистрирующее повышенную электропроводность астеносферы из-за частичного плавления.
• Гравиметрия — изучение аномалий силы тяжести, связанных с изостатическими процессами.
• Экспериментальная петрология — лабораторное моделирование условий в астеносфере (высокие давление и температура) для определения свойств пород.
• Геодезия — GPS-измерения движений земной коры, которые косвенно отражают течение астеносферы.

Исторические сведения

Понятие астеносферы было введено в начале XX века. В 1914 году американский геолог Джозеф Баррелл предложил термин «астеносфера» (от греч. ἀσθενής — слабый) для обозначения пластичного слоя под литосферой. В 1926 году британский геофизик Гарольд Джеффрис развил эту идею, связав её с сейсмическими наблюдениями. Однако только в 1960-х годах, с развитием теории тектоники плит, астеносфера получила широкое признание как ключевой элемент глобальной геодинамики. В 1970-х годах сейсмическая томография подтвердила существование глобального слоя пониженных скоростей, что окончательно закрепило концепцию астеносферы в науке.

Интересные факты

• Под некоторыми древними кратонами (например, Канадским щитом) астеносфера практически не выражена, что связано с охлаждением и утолщением литосферы до 200–300 км.
• В зонах субдукции астеносфера может быть «выжата» в стороны, создавая области с аномально высокой вязкостью.
• Скорость течения вещества в астеносфере оценивается в 1–10 см в год, что сопоставимо со скоростью движения литосферных плит.
• Астеносфера не является однородной: в ней выделяют «астенолинзы» — локальные зоны повышенного частичного плавления, связанные с мантийными плюмами.

Источники

• Баррелл Дж. (1914). «The Strength of the Earth’s Crust». Geological Society of America Bulletin.
• Джеффрис Г. (1926). «The Earth: Its Origin, History and Physical Constitution».
• Кейсмен А. (2000). «Mantle Convection and the Lithosphere-Asthenosphere Boundary».
• Туркот Д., Шуберт Г. (2002). «Geodynamics».
• Современные учебники по геофизике и тектонике плит (например, «Global Tectonics» Ф. Кейси и П. Хэнкока).