Способы изучения мантии 5 класс

Верхняя мантия Земли: состав, температура, интересные факты

Мантия Земли — часть геосферы, расположенная между корой и ядром. В ней находится большая доля всего вещества планеты. Изучение мантии важно не только с точки зрения понимания внутренней структуры Земли. Оно может пролить свет на формирование планеты, дать доступ к редким соединениям и породам, помочь понять механизм землетрясений и движения литосферных плит. Однако получить информацию о составе и особенностях мантии непросто. Бурить скважины так глубоко люди пока не умеют. Мантия Земли в основном сейчас изучается при помощи сейсмических волн. А также путем моделирования в условиях лаборатории.

Строение Земли: мантия, ядро и кора

Согласно современным представлениям, внутреннее строение нашей планеты подразделяется на несколько слоев. Верхний — это кора, далее лежат мантия и ядро Земли. Кора — твердая оболочка, делящаяся на океаническую и континентальную. Мантия Земли отделена от нее так называемой границей Мохоровичича (по имени хорватского сейсмолога, установившего ее местоположение), которая характеризуется скачкообразным ростом скоростей продольных сейсмических волн.

Мантия составляет примерно 67 % массы планеты. По современным данным, ее можно разделить на два слоя: верхний и нижний. В первом выделяют также слой Голицына или среднюю мантию, являющуюся переходной зоной от верхней к нижней. В целом мантия простирается на глубине от 30 до 2900 км.

Ядро планеты, по представлению современных ученых, состоит в основном из железоникелевых сплавов. Оно также подразделяется на две части. Внутреннее ядро — твердое, его радиус оценивается в 1300 км. Внешнее — жидкое, имеет радиус в 2200 км. Между этими частями выделяют переходную зону.

Литосфера

Кора и верхняя мантия Земли объединяются понятием «литосфера». Это твердая оболочка, имеющая стабильные и подвижные области. Твердая оболочка планеты состоит из литосферных плит, которые, как предполагается, перемещаются по астеносфере — довольно пластичному слою, вероятно, представляющему собой вязкую и сильно нагретую жидкость. Она является частью верхней мантии. Нужно отметить, что существование астеносферы как непрерывной вязкой оболочки не подтверждается сейсмологическими исследованиями. Изучение структуры планеты позволяет выделить несколько подобных слоев, размещающихся по вертикали. В горизонтальном же направлении астеносфера, видимо, постоянно прерывается.

Способы изучения мантии

Слои, лежащие ниже коры, малодоступны для изучения. Огромная глубина, постоянное увеличение температуры и возрастание плотности являются серьезной проблемой для получения информации о составе мантии и ядра. Однако представить структуру планеты все-таки можно. При изучении мантии главными источниками информации становятся геофизические данные. Скорость распространения сейсмических волн, особенности электропроводности и силы тяжести позволяют ученым делать предположения о составе и других особенностях нижележащих слоев.

Кроме того, некоторую информацию удается получить из магматических горных пород и фрагментов мантийных пород. К числу последних относятся алмазы, которые могут многое рассказать даже о нижней мантии. Встречаются мантийные породы и в земной коре. Их изучение помогает понять состав мантии. Однако они не заменят образцов, добытых непосредственно из глубоких слоев, поскольку в результате различных процессов, протекающих в коре, их состав отличен от мантийного.

Мантия Земли: состав

Еще один источник информации о том, что представляет собой мантия, — метеориты. Согласно современным представлениям, хондриты (самая распространенная на планете группа метеоритов) по составу близки к земной мантии.

Особый интерес для ученых представляют породы, не встречающиеся в земной коре. Как предполагается, в мантии таких соединений (гроспидиты, карбонатиты и так далее) немало.

Остановимся подробнее на протяженности слоев мантии. По представлениям ученых, верхних из них занимает диапазон примерно от 30 до 400 км от земной поверхности. Далее располагается переходная зона, которая уходит вглубь еще на 250 км. Следующий слой — нижний. Его граница располагается на глубине около 2900 км и соприкасается с внешним ядром планеты.

Давление и температура

С продвижением вглубь планеты, повышается температура. Мантия Земли находится под действием крайне высокого давления. В зоне астеносферы действие температуры перевешивает, поэтому здесь вещество находится в так называемом аморфном или полурасплавленном состоянии. Глубже под действием давления оно становится твердым.

Исследования мантии и границы Мохоровичича

Мантия Земли не дает покоя ученым уже достаточно длительное время. В лабораториях над породами, предположительно входящими в состав верхнего и нижнего слоя проводятся эксперименты, позволяющие понять состав и особенности мантии. Так, японскими учеными было установлено, что нижний слой содержит большое количество кремния. В верхней мантии располагаются запасы воды. Она поступает из земной коры, а также проникает отсюда на поверхность.

Особый интерес представляет поверхность Мохоровичича, природа которой до конца непонятна. Сейсмологические исследования предполагают, что на уровне 410 км под поверхностью происходит метаморфическое изменение пород (они становятся более плотными), что проявляется в резком увеличении скорости проведения волн. Предполагается, что базальтовые породы в районе границы Мохоровичича превращаются в эклогит. При этом происходит увеличение плотности мантии примерно на 30 %. Есть и другая версия, согласно которой, причина изменения скорости проведения сейсмических волн кроется в изменении состава пород.

Тикю Хаккэн

В 2005 году в Японии было построено специально оборудованное судно Chikyu. Его миссия — сделать рекордно глубокую скважину на дне Тихого океана. Ученые предполагают взять образцы пород верхней мантии и границы Мохоровичича, чтобы получить ответы на многие вопросы, связанные со строением планеты. Реализация проекта намечена на 2020 год.

Нужно отметить, что ученые не просто так обратили свой взор именно к океаническим недрам. Согласно исследованиям, толщина коры на дне морей значительно меньше, чем на континентах. Разница существенная: под толщей воды в океане до магмы нужно преодолеть в отдельных областях всего 5 км, тогда как на суше эта цифра увеличивается до 30 км.

Сейчас судно уже работает: получены образцы глубоких угольных пластов. Реализация главной цели проекта позволит понять, как устроена мантия Земли, какие вещества и элементы составляют ее переходную зону, а также выяснить нижний предел распространения жизни на планете.

Наше представление о строении Земли пока далеко не полное. Причина тому — сложность проникновения в недра. Однако технический прогресс не стоит на месте. Достижения науки позволяют предположить, что в недалеком будущем мы будем знать о характеристиках мантии гораздо больше.

Источник

Мантия Земли

Мантия Земли – это наиболее важный участок нашей планеты, так как именно тут сосредоточена большая часть веществ. Он намного толще, чем остальные компоненты и, по сути, занимает большую часть пространства – около 80%. Изучению именно этой части планеты ученые посвятили большую часть времени.

Строение

Строение мантии ученые могут только предполагать, так как методов, которые бы однозначно дали ответ на данный вопрос, пока что не существует. Но, проведенные исследования дали возможность предположить, что данный участок нашей планеты состоит из таких слоев:

• первый, наружный – он занимает от 30 до 400 километров земной поверхности;
• переходная зона, которая расположена сразу за наружным слоем – по предположениям ученых она уходит вглубь примерно на 250 километров;
• нижний слой – его протяжность самая большая, около 2900 километров. Он начинается сразу после переходной зоны и идет прямо к ядру.

Следует отметить, что в мантии планеты есть такие горные породы, которых нет в земной коре.

Состав

Само собой, что точно установить из чего состоит мантия нашей планеты, нельзя, так как добраться туда невозможно. Поэтому, все, что удается изучить ученым, происходит при помощи обломков этого участки, которые периодически появляются на поверхности.

Так, после ряда исследований удалось выяснить, что этот участок Земли черно-зеленого цвета. Основной состав – это горные породы, которые состоят из таких химических элементов:

По внешнему виду, а в чем-то даже и по составу, она очень похожа на каменные метеориты, которые также периодически попадают на нашу планету.

Вещества, которые находятся в самой мантии, жидкие, вязкообразные, так как температура на данном участке превышает тысячи градусов. Ближе к коре Земли температура снижается. Таким образом, происходит некоторый круговорот – те массы, которые уже охладились, спускаются вниз, а разогретые до предела попадают наверх, поэтому процесс «смешивания» никогда не прекращается.

Периодически, такие разогретые потоки попадают в самую кору планеты, в чем им оказывают содействие действующие вулканы.

Способы изучения

Само собой разумеется, что слои, которые находятся на большой глубине достаточно сложно изучать и не только потому, что не такой техники. Усложняется процесс еще и тем, что температура практически постоянно повышается, а вместе с тем возрастает и плотность. Поэтому, можно сказать, что глубина нахождения слоя, является наименьшей проблемой, в этом случае.

Вместе с тем, ученым все же удалось продвинуться в изучении данного вопроса. Для исследования этого участка нашей планеты, главным источником информации были выбраны как раз геофизические показатели. Кроме этого, в ходе исследования, ученые используют и такие данные:

• скорость сейсмических волн;
• сила тяжести;
• характеристики и показатели электропроводности;
• изучение магматических пород и обломков мантии, которые редко, но все же удается найти на поверхности Земли.

Что касается последнего, то здесь особенного внимания ученых заслуживают именно алмазы – по их мнению, изучая состав и строение этого камня, можно выяснить много интересного даже о нижних слоях мантии.

Изредка, но встречаются мантийные породы. Их изучение также позволяет добыть ценную информацию, но в той или иной степени все же будут присутствовать искажения. Обусловлено это тем, что в коре происходят различные процессы, которые несколько отличаются от тех, которые происходят в глубинах нашей планеты.

Отдельно следует рассказать о технике, при помощи которой ученые пытаются достать оригинальные породы мантии. Так, в 2005 году в Японии было возведено специальное судно, которое, по мнению самих разработчиков проекта, сможет сделать рекордно глубокую скважину. На данный момент работы еще идут, а старт проекта намечен уже на 2020 год – ждать осталось не так уж и много.

Сейчас же все изучения строения мантии происходят в рамках лаборатории. Ученые уже точно установили, что нижний слой этого участка планеты, практически весь состоит из кремния.

Давление и температура

Распределение давления в пределах мантии неоднозначно, собственно как и температурного режима, но обо всем по порядку. На долю мантии приходится больше половины веса планеты, а если сказать точнее, то 67%. В участках под земной корой давление составляет около 1,3-1,4 млн.атм., при этом, следует отметить, что в местах, где расположены океаны, уровень давления существенно спадает.

Что же касается температурного режима, то здесь данные вовсе неоднозначны и базируются только на теоретических предположениях. Так, у подошвы мантии предполагается температура в 1500-10 000 градусов по Цельсию. В целом, ученые предположили, что температурный уровень на данном участке планеты более близок к температуре плавления.

Источник

Состав, толщина и строение мантии Земли

Мантия Земли, простирающаяся толщиной от 35 до 2900 километров под поверхностью нашей планеты до сих пор в значительной степени считается плохо изученной. Столетие исследований помогло нам заполнить только некоторые пробелы.

Мантия Земли имеет три основных слоя:

• верхняя часть простирается от основания земной коры до глубины 660 километров;
• переходная зона расположена между 400 и 660 километрами, на глубинах которых происходят основные физические изменения минералов;
• нижняя зона простирается от 660 километров до примерно 2900 километров.

Земля имеет тот же состав элементов, что и другие планеты (кроме водорода и гелия, которые избежали земного притяжения). Предполагая, что ядро состоит из железа, мы можем вычислить, что мантия Земли представляет собой смесь магния, кремния, железа и кислорода, которая примерно соответствует составу гранита. Верхняя зона мантии уходит в толщину Земли всего на 400 км., но вся достигает глубины 2900 км. Дальше идет ядро Земли. Однако то, что находится на таких глубинах, остается для нас тайной.

О составе мантии на этих глубинах существуют лишь косвенные данные.

Определение состава мантии косвенным путем

Но какая именно смесь минералов присутствует на данной глубине-это сложный вопрос, который не является твердо решенным. С помощью прямых наблюдений ученых-космохимиков, геологов можно с большой вероятностью определить толщину и состав мантии Земли.

Прямые наблюдения

Наши знания земной коры и процессов, которые в ней происходят, основаны на прямых наблюдениях. Ежедневно мы можем следить за деятельностью ветра и воды, а если удается, то и наблюдать выбросы газа и вулканическую деятельность, представляющую собой следствие какого-то процесса. Это то же самое, как если бы мы смотрели на конец конвейера, на котором завертывается шоколад, не зная, как, собственно, он получается.

Не понятно, каково минералогическое и химическое строение мантии. Ясно, что это должен быть материал, который при нагревании и давлении, имеющем место на глубине от 50 до 400 км, образует горные породы базальтового типа. В противном случае на Земле не было бы таких вулканических островов, как Гавайи, Таити или Исландия. Один из путей определения химического состава верхней мантии — это анализ подобных базальтовых пород.
У нас есть образцы как куски породы, перенесенные при некоторых вулканических извержениях, с глубин, как 300 километров глубины. Они показывают, что верхняя часть мантии состоит из пород типа перидотит и эклогит.

Наблюдения космохимиков

Еще один аргумент в дискуссию о составе мантии вносят космохимики. Аргумент этот интересен.

Он исходит из того, что Земля в целом не очень отличается от первоначальной материи Солнечной системы — от метеоритов-хондритов. Поэтому состав мантии можно высчитать.

Геологическое доказательство

И третьим вкладом в дискуссию о том, из чего состоит мантия Земли, является геологическое доказательство.

Алмазы, которые совершенно определенно возникают при огромных давлениях в мантии, происходят из горной породы, называемой кимберлит, который встречается в Южной Африке, в Сибири и в Бразилии.

Но кроме алмазов, кимберлиты содержат обломки других горных пород, которые они приняли в себя по пути к земной поверхности. Поэтому там мы можем найти небольшие куски пород, происходящих из верхней мантии. Это породы с высоким содержанием железа, магния и небольшим количеством кремния — ультраосновные породы, как, например, дуниты, верлиты, лерзолиты и породы группы гранитов — перидотиты и эклогиты. Все минералы этих горных пород верхней мантии кристаллизовались при высоком давлении и температуре.

Исследование с помощью сейсмических волн

Исследования мантии Земли с помощью сейсмических волн от мировых землетрясений считаются достаточно объективными. Два различных типа сейсмических волн, P-волны (похожи звуковым волнам) и S-волны (подобно волнам в раскачиваемой веревке), реагируют на физические свойства горных пород, через которые они проходят. Эти волны отражаются от некоторых типов поверхностей и преломляются (изгибаются) при столкновении с другими типами поверхностей. Мы используем эти эффекты, чтобы отобразить внутренности Земли.
Наши инструменты достаточно хороши, чтобы лечить мантию Земли так, как врачи делают ультразвуковые снимки своих пациентов. После столетия сбора информации от землетрясений, мы можем сделать некоторые впечатляющие карты внутреннего строения нашей планеты.

При огромных температурах и давлениях в лаборатории создаются условия, похожие на условия, царящие внутри Земли. Естественно, используются исключительно малые — миллиграммовые — образцы пород. Результаты опытов сравниваются потом с результатами распространения сейсмических волн.
Было установлено, что глубины, на которых происходит увеличение скорости сейсмических волн, хорошо сравниваются с глубинами, на которых, в соответствии с лабораторными данными, могло бы происходить изменение внутренней структуры минералов.

Изучение мантии компьютерными моделями и лабораторными экспериментами

Мы изучаем поведение минералов в мантийных условиях двумя методами: компьютерными моделями, основанными на уравнениях физики минералов и лабораторными экспериментами.

Таким образом, современные исследования мантии проводятся сейсмологами, компьютерными программистами и лабораторными исследователями, которые теперь могут воспроизводить условия в любом месте с помощью лабораторного оборудования высокого давления, такого как алмазная наковальня.

Свойства материала мантии такие же как и у любого вещества: по мере увеличения глубины возрастает температура и давление, и материя на этих глубинах приспосабливается к существующим условиям. Внутреннее строение составных частиц минералов отвечает высокому давлению, то есть структура сжимается, становится гуще. Поэтому удельная плотность минералов повышается. Об этом свидетельствуют и лабораторные данные.

Изучение помогает геологии

Поскольку мантия-это основная часть строения Земли, ее история имеет фундаментальное значение для геологии. Во время рождения Земли мантия начиналась как океан жидкой магмы на поверхности железного ядра. По мере его затвердевания элементы, которые не вписывались в основные минералы, собирались в виде накипи сверху-коры. После этого мантия начала медленное обращение, которое она имела в течение последних четырех миллиардов лет. Верхняя часть остыла, потому что она перемешивается и гидратируется тектоническими движениями поверхностных плит.

В то же время мы многое узнали о строении и составе планет-сестер Земли Меркурия, Венеры и Марса. По сравнению с ними, Земля имеет активную, смазанную мантию, которая особенная благодаря воде, тому же ингредиенту, который отличает ее поверхность.

Источник