|строение земли||атмосфера земли| |магнитное поле земли| |озоновый слой| |история изучения| |главная| |
Строение земли |
Состав мантии ниже границы 670 кмПроведенные в последние два-три десятилетия исследования структурных переходов минералов с использованием рентгеновских камер высокого давления позволили смоделировать некоторые особенности состава и структуры геосфер глубже границы 670 км. В этих экспериментах исследуемый кристалл помещается между двумя перовскитоподобной фазы (Mg,Fe)SiO3, на долю которой приходится около 70% ее объема (40% объема всей Земли), и стишовит и оксидные фазы, содержащие Ca, Na, K, Al и Fe, кристаллизация которых допускается в структурных типах корунда (твердый раствор (Mg, Fe)SiO3-Al2O3), кубического перовскита (CaSiO3) и Са-феррита (NaAlSiO4). Образование этих соединений связано с различными структурными трансформациями минералов верхней мантии. При этом одна из основных минеральных фаз относительно гомогенной оболочки, лежащей в интервале глубин 410-670 км, - шпинелеподобный рингвудит трансформируется в ассоциацию (Mg, Fe)-перовскита и Mg-вюстита на рубеже 670 км, где давление составляет ~24 ГПа. Другой важнейший компонент переходной зоны - представитель семейства граната пироп Mg3Al2Si3O12 испытывает превращение с образованием ромбического перовскита (Mg, Fe)SiO3 и твердого раствора корунда-ильменита (Mg, Fe)SiO3 - Al2O3 при несколько больших давлениях. С этим переходом связывают изменение скоростей сейсмических волн на рубеже 850-900 км, соответствующем одной из промежуточных сейсмических границ. Трансформация Са-граната перовскитом (Mg,Fe)SiO3 и Mg-вюститом (Mg, Fe)O варьирует в достаточно широких пределах и на глубине ~1170 км при давлении ~29 ГПа и температурах 2000-2800 0С меняется от 2 : 1 до 3 : 1. Исключительная
стабильность MgSiO3 со структурой типа ромбического перовскита
в широком диапазоне давлений, соответствующих глубинам низов мантии,
позволяет считать его одним из главных компонентов этой геосферы. Основанием
для этого заключения послужили эксперименты, в ходе которых образцы
Mg-перовскита MgSiO3 были подвергнуты давлению, в 1,3 млн
раз превышающему атмосферное, и одновременно на образец, помещенный
между алмазными наковальнями, воздействовали лазерным лучом с температурой
около 2000 0С. Не
меньшей устойчивостью отличается и температура плавления вюстита на границе нижней
мантии и слоя D", по данным Р. Болера (1996), оценивается в ~5000
K, что намного выше 3800 0С, предполагаемой для этого уровня
(при средних температурах мантии ~2500 0С в основании нижней
мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300 0С).
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 Следует
отметить, что в преобладающих на больших глубинах перовскитоподобных
фазах может содержаться весьма ограниченное количество Выделение
отдельных промежуточных сейсмических границ, расположенных ниже рубежа
670, коррелирует с данными о структурных трансформациях мантийных
минералов, формы которых могут быть весьма разнообразными. Иллюстрацией
изменения многих свойств различных кристаллов при высоких значениях
вюстита в связи с стишовита в структурный тип CaCl2
(ромбический аналог периклаза MgO и свободного политипии у FeO, связанное с образованием
структурных фрагментов типа никелина NiAs, чередующихся с антиникелиновыми
структурой корунда в фазу со структурой Rh2O3,
экспериментально смоделированная при давлениях ~100 ГПа, то есть на
глубине ~2200-2300 км. ' использованием электронной структуры. В связи с этим следует
подчеркнуть, что структура вюстита
Сейсмологические измерения указывают на то, что и внутреннее (твердое) и внешнее (жидкое) ядра Земли характеризуются меньшей плотностью по сравнению со значением, получаемым на основе модели ядра, состоящего только из металлического железа при тех же физико-химических параметрах. Это уменьшение плотности большинство исследователей связывают с присутствием в ядре таких элементов, как Si, O, S и даже О, образующих сплавы с железом. Среди фаз, вероятных для таких "фаустовских" физико-химических условий (давления ~250 ГПа и температуры 4000-6500 0С), называются Fe3S с хорошо известным растворимости в железе при атмосферном давлении. Однако недавние экспериме- нты (данные Дж. Бэддинга, Х. Мао и Р. Хэмли (1992)) позволили установить, что гидрид железа FeH может сформироваться при высоких температурах и давлениях и оказывается устойчив при давлениях, превышающих 62 ГПа, что соответствует глубинам ~1600 км. В этой связи присутствие значительных количеств (до 40 мол. %) водорода в ядре вполне допустимо и снижает его плотность до значений, согласующихся с данными сейсмологии. Можно прогнозировать, что новые данные о структурных изменениях минеральных фаз на больших глубинах позволят найти адекватную интерпретацию и другим важнейшим геофизическим границам, фиксируемым в недрах Земли. Общее заключение таково, что на таких глобальных сейсмических рубежах, как 410 и 670 км, происходят значительные изменения в минеральном составе мантийных пород. Минеральные преобразования отмечаются также и на глубинах ~850, 1200, 1700, 2000 и 2200-2300 км, то есть в пределах нижней мантии. Это весьма важное обстоятельство, позволяющее отказаться от представления об ее однородной структуре. |