Мантия — слой Земли между корой и ядром¶

Мантия — это слой Земли, расположенный между земной корой и ядром, составляющий основную часть массы планеты (около 67 %) и объёма (около 84 %). Мантия простирается от нижней границы коры (граница Мохоровичича) до глубины примерно 2890 км, где начинается внешнее ядро. Средняя плотность мантии — около 4,5 г/см³, температура варьируется от 500–900 °C у верхней границы до 4000 °C вблизи ядра.

¶Строение мантии

Мантия делится на два крупных подразделения, различающихся физическими свойствами и минералогическим составом.

¶Верхняя мантия

Верхняя мантия простирается от границы с корой до глубины около 670 км. Она включает:

• Литосферную мантию — жёсткую верхнюю часть, входящую вместе с корой в состав литосферы.
• Астеносферу — слой на глубинах примерно 80–200 км, где температура приближается к точке плавления пород, а вязкость понижена. Астеносфера обладает свойствами вязкоупругого тела и обеспечивает подвижность литосферных плит.
• Нижнюю часть верхней мантии до глубины 670 км, где происходит переход к более плотным минеральным фазам.

Основной минерал верхней мантии — оливин ((Mg,Fe)₂SiO₄), а также пироксены и гранаты. В астеносфере возможны локальные зоны частичного плавления, связанные с магматизмом.

¶Нижняя мантия

Нижняя мантия занимает интервал глубин от 670 до 2890 км и составляет около половины объёма всей мантии. На глубине 670 км происходит фазовый переход минералов в более плотные модификации (в частности, переход вальслеита в перовскит). Нижняя мантия представлена преимущественно силикатами перовскитной структуры (бридгманит) и феропериклазом. Несмотря на высокие температуры, нижняя мантия остаётся твёрдой из-за огромного давления, хотя обладает способностью к медленной конвекции.

¶Физические свойства

Мантия — вязкопластичное тело. Её вязкость оценивается в диапазоне 10²¹–10²⁴ Па·с, что на много порядков больше вязкости воды. Именно эта текучесть, проявляющаяся на геологических временах, обусловливает конвективные движения в мантии.

Плотность мантийных пород увеличивается с глубиной вследствие сжатия и изменения минеральных фаз. Сейсмические волны в мантии распространяются с разной скоростью: скорость продольных волн (Vp) меняется от ~8 км/с у верхней границы до ~13,7 км/с у основания, поперечных (Vs) — от ~4,5 до ~7,3 км/с. Резкие изменения скоростей на глубинах 410 и 670 км соответствуют фазовым переходам и разделяют мантию на верхнюю и нижнюю.

¶Мантийная конвекция

Мантийная конвекция — это медленные циркуляционные движения вещества мантии, вызванные разницей плотностей при нагреве изнутри (радиоактивный распад, остаточное тепло) и охлаждении сверху. Скорость конвективных течений оценивается в несколько сантиметров в год, что согласуется со скоростями раздвижения океанических плит.

Конвекция является движущей силой тектоники плит: подтягивание литосферы в зонах субдукции и расширение хребтов связаны с мантийными потоками. Мантийные плюмы — восходящие столбы горячего вещества из нижней мантии или от границы с ядром — формируют внутриконтинентальные магматические провинции и горячие точки (например, Гавайские острова).

¶Состав

Мантия сложена преимущественно силикатными породами богатыми магнием и железом. Верхняя мантия соответствует по составу ультраосновным магматическим породам — перидотитам (гарцбургит и лерцолит). Основные оксиды мантии: SiO₂ (~45 %), MgO (~38 %), FeO (~8 %), CaO, Al₂O₃, Na₂O. По мере углубления состав меняется вследствие фазовых переходов без существенного изменения химического состава.

¶Мантия и земная кора

Граница между корой и мантией — граница Мохоровичича («Мохо») — определяется по резкому скачку скорости сейсмических волн. Глубина этой границы различна: 5–10 км под океанами, 30–50 км под континентами, до 70 км под высокогорьями. Вещество мантии периодически поступает в кору через магматические очаги, формируя магматические породы вулканических и глубинных комплексов.

¶Изучение

Прямое изучение мантии невозможно — максимальная глубина бурения (скважина «Кола Супердип», 12 262 м) не достигла даже границы коры в зоне повышенной мощности. Основные сведения получены сейсмическими методами, а также изучением ксенолитов — обломков мантийных пород, вынесенных на поверхность кимберлитовыми и базальтовыми вулканами. В 2007 году в Японии из ксенолита в базальте был выделен вюрцит, минерал, стабильный на глубинах 300–400 км, что подтвердило данные о составе верхней мантии.

Источники: Большая российская энциклопедия (статья «Мантия Земли»); В. А. Соболев, «Введение в физику мантии Земли»; Геологический энциклопедический словарь; данные сейсмологических исследований и минералогии мантийных ксенолитов.