Мантия Земли

Между ядром и корой Земли располагается самый массивный и объемный слой нашей планеты — мантия. Человечество смогло отправить космические аппараты на окраины Солнечной системы и подробно рассмотреть далекие галактики, однако мы все еще недостаточно хорошо понимаем, что происходит всего в нескольких десятках километров у нас под ногами. Но  хотя у ученых и нет возможности изучить мантию напрямую, развитие геофизических и геохимических методов позволяет им получать все больше информации о ней. Из этой статьи вы узнаете, что известно о строении и составе мантии, как она формировалась в далеком прошлом и что происходит с мантией Земли в наши дни.

Строение и слои мантии Земли

Земная мантия начинается на глубине 5–10 километров под океанами и 25 – 80 километров под континентами. От коры она отделена границей Мохоро́вичича (прим. ред.: сокращенное название — «граница Мохо»). Это переходный слой, который хорватский геофизик Андрия Мохоровичич открыл в 1909 году, определив резкое изменение скорости сейсмических волн. В плотной и вязкой мантии скорость продольных волн достигает 8,6 км/с, тогда как в коре, где давление существенно ниже, этот показатель сокращается до 7–4 км/с.

Выделяют 3 основных слоя земной мантии.

• Верхняя мантия — начинается от границы Мохо и простирается до глубины 410 километров. Верхней частью этого слоя является литосферная мантия, представленная твердым веществом и входящая в состав литосферы. За ней после глубины 80–200 километров следует астеносфера, в которой материя находится в частично расплавленном состоянии и отличается высокой пластичностью. Астеносфера обеспечивает движение литосферных плит и является источником вулканической магмы.
• Переходная зона — находится на средней глубине от 410 до 670 километров. В геологии эту часть принято называть слоем Голицына в честь русского физика Бориса Голицына — одного из основоположников мировой сейсмологии. Это зона фазовых переходов, в которой под воздействием колоссального давления минералы перестают плавиться и преобразуются в более плотные кристаллические структуры.
• Нижняя мантия — самый объемный слой мантии расположен на глубине от 670 до 2 900 километров под поверхностью Земли. По мере продвижения к ядру давление в этом слое более чем в 1,3 млн раз превышает нормальное атмосферное давление. Нижняя мантия отвечает за тепловую конвекцию, то есть переносит потоки тепловой энергии от ядра к верхним слоям Земли со скоростью около 1 сантиметра в год. Мантия заканчивается границей Гутенберга, где скорость распространения сейсмических волн падает из-за плавного перехода в жидкую среду внешнего ядра. Немецкий сейсмолог Бенно Гутенберг открыл эту область в 1913 году.

Состав и физические свойства мантии

На мантию приходится 84% объема и 70% массы всей нашей планеты. Ее температура меняется от 700 °C на границе Мохоровичича до примерно 3 700 °C на границе Гутенберга. Давление в мантии также колоссально и последовательно возрастает с нескольких тысяч до более чем миллиона атмосфер. Плотность вещества в верхней и нижней мантии составляет от 3,5 до 5,6 г/см³, что сравнимо с плотностью алмаза и полупроводникового металла германия.

Столь невысокие показатели плотности объясняются тем, что мантия, в отличие от железоникелевого ядра, состоит преимущественно из силикатных материалов. С высокой степенью достоверности ученым удалось определить особенности состава только верхней мантии, тогда как распределение веществ в нижней является предметом дискуссий. В верхней мантии больше всего распространены перидотиты — крупнозернистые магматические породы, состоящие из следующих минеральных компонентов в различных пропорциях.

• Оливин — силикат магния с железом, (Mg,Fe)₂SiO₄. Зеленый полупрозрачный минерал образует до 90% объема перидотитов. В переходной зоне он преобразуется в вадслеит и рингвудит — минералы, которые аккумулируют воду, проникающую с поверхности Земли в мантию вследствие столкновений и расхождений литосферных плит.
• Пироксены — обширная группа силикатов с обобщенной химической формулой X,Y(Si,Al)₂O₆. Непосредственно в мантии распространены клинопироксены и ортопироксены. Они отличаются по принадлежности к моноклинной и ромбической кристаллическим системам, то есть их атомы образуют 1 или 3 плоскости симметрии соответственно. Пироксены теряют устойчивость на глубине более 200 километров, а потому они сконцентрированы в основном в литосферной мантии.

Согласно наиболее распространенной гипотезе после зоны фазовых переходов в нижней мантии вещество представлено 3 основными минералами:

• перовскит — 70%, твердый раствор магния и железа в солях кремниевых кислот, (Mg,Fe)SiO₃;
• магнезио-вюстит — 20%, твердый раствор периклаза и вюстита, (Mg,Fe)O;
• стишовит — 10%, чрезвычайно плотная полиморфная модификация кремнезема, SiO₂.

Как сформировалась мантия Земли

Около 4,5 млрд лет назад Земля активно формировалась из протопланетного диска, вращавшегося вокруг молодого Солнца, и представляла собой весьма однородную расплавленную структуру. По мере остывания наиболее тяжелые и плотные элементы, такие как железо и никель, под воздействием гравитации сконцентрировались в ядре, а из более легких силикатов сформировалась первичная мантия. Остывая и уплотняясь в течение сотен миллионов лет, минералы распределялись по слоям и приобретали различную кристаллическую структуру.

Тектоника плит и при чем здесь мантия Земли

Дифференциация мантии началась в далеком геологическом прошлом нашей планеты и продолжается до сих пор. Во время архейского эона, 4–3,7 млрд лет назад, ее вещество стало основой для формирования литосферы — твердой внешней оболочки нашей планеты. Однако движение магмы в астеносфере продолжалось, и под воздействием сил трения и растяжения внешний слой начал раскалываться на литосферные плиты.

Мы уже упоминали о явлении конвекции, при котором теплое вещество из недр Земли поднимается ближе к поверхности, после чего охлаждается и опускается обратно. Эти циркулирующие потоки называют конвекционными ячейками, выполняющими функцию движущей силы. Непосредственно под литосферными плитами находится астеносфера, пластичная структура которой позволяет колоссальным массивам пород скользить по ее поверхности. По разным источникам, литосферные плиты движутся со скоростью от 1 до 6 сантиметров в год. Таким образом, мантия Земли отвечает не только за тектонику литосферных плит, но и за само их существование.

Исследования мантии Земли

История исследований мантии Земли началась в 1909 году, когда открытие границы Мохоровичича подтвердило сам факт ее существования. Развитие технологий для анализа сейсмических волн позволяло выдвигать и корректировать гипотезы о структуре, составе, температуре, плотности и других физических свойствах мантии. В 1929 году британский геолог Артур Холмс объяснил механизм дрейфа литосферных плит под воздействием конвекции, и его теория остается общепринятой и в наши дни.

Ученые не были удовлетворены одними лишь результатами сейсмологических исследований и задались целью достичь мантии напрямую. Первой подобной попыткой стал проект «Мохол», запущенный в 1960-х годах. При его реализации группа американских ученых планировала пробурить земную кору в Тихом океане и извлечь образец породы с границы Мохо. Но уже после бурения 5 пробных 180-метровых скважин Национальный научный фонд США признал цель недостижимой и прекратил финансирование проекта.На момент подготовки материала ближе всех к покорению мантии подошел китайский корабль «Meng Xiang» (прим. ред.: в переводе с китайского языка его название означает «Мечта»), введенный в эксплуатацию в конце 2024 года. Его буровая система рассчитана на погружение на глубину 4 километра до морского дна с последующим бурением 7-километровой скважины. Ожидается, что китайскому судну удастся достичь мантии Земли до 2035 года.

3 интересных факта о земной мантии

• Многим известен проект Кольской сверхглубокой скважины — советским специалистам удалось достичь вертикальной глубины 12 262 метра, что по сей день остается непревзойденным результатом. Однако на этом уровне продолжать буровые работы оказалось невозможно, так как техника не выдерживала воздействия экстремальной температуры. Именно поэтому проекты по достижению мантии предполагают бурение океанической коры, глубина которой в среднем составляет около 7 километров.
• По одной из версий Луна сформировалась вследствие столкновения Земли с гипотетической планетой Тея. В 2023 году группа китайских ученых нашла возможное подтверждение этой гипотезы, обнаружив в мантии 2 крупные аномалии с неестественно низкой скоростью распространения сейсмических волн. Есть вероятность, что эти области представляют собой погребенные остатки материала Теи, сохранившиеся в недрах Протоземли.
• В переходной зоне мантии содержится невероятно много химически связанной воды — в несколько раз больше, чем во всех земных океанах в совокупности. Согласно исследованиям ученых из университета Клермон-Оверни во Франции, эта вода активно участвует в глобальном круговороте. Из-за столкновения литосферных плит вода проникает в верхние слои мантии, а затем вместе с расплавленными породами она поднимается к коре, подпитывая мировой океан и поддерживая уровень моря на стабильном уровне. Геологи дали этому явлению забавное название — «мантийный дождь».

Вопрос-ответ

Что такое мантия Земли?

Мантия Земли — это твердый, но при этом пластичный слой минералов, на который приходится порядка 84% объема нашей планеты.

Какие природные явления возникают вследствие активности мантии?

Активность мантии приводит к извержениям вулканов, землетрясениям, образованию гор и разломов, а также движению континентов.

Как движущиеся потоки мантии влияют на тектонику плит?

Благодаря конвекции возникают циклические потоки вещества в мантии, которые оказывают прямое физическое воздействие на литосферные плиты, приводя их в движение.

Как устроены слои земной мантии и чем отличается верхняя мантия от нижней?

Земная мантия состоит из верхнего и нижнего слоев, разделенных переходной зоной, где вещество преобразуется в иные формы. Верхняя мантия пластичнее, благодаря чему литосферные плиты могут скользить по ее поверхности. Плотная нижняя мантия отвечает за передачу тепловой энергии от ядра Земли и за возникновение конвекционных потоков.

***

Мантия Земли — это не просто слой раскаленных пород. Она функционирует как скрытый планетарный двигатель, приводящий в движение континенты и определяющий рельеф поверхности. Современные исследования открывают все больше секретов мантии, таких как гигантские запасы воды и следы древних космических катаклизмов. Однако ученые с нетерпением ждут того момента, когда человечеству удастся напрямую достигнуть мантии и получить новую бесценную информацию об устройстве нашей планеты.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Freepik