Chemische Zusammensetzung des Erdmantels und Erdkerns. Die Beziehung zwischen den Begriffen „Erdkruste“, „Lithosphäre“, „Tektonosphäre“ Zusammensetzung des Erdmantels und Erdkerns

Der Erdmantel enthält den größten Teil der Materie der Erde. Auch auf anderen Planeten gibt es einen Mantel. Der Erdmantel ist zwischen 30 und 2.900 km lang.

Innerhalb seiner Grenzen werden nach seismischen Daten unterschieden: obere Mantelschicht IN Tiefe bis zu 400 km und MIT bis zu 800-1000 km (einige Forscher schichten MIT der mittlere Mantel genannt); untere Mantelschicht D Vor Tiefe 2700 mit Übergangsschicht D1 von 2700 bis 2900 km.

Die Grenze zwischen Kruste und Mantel ist die Mohorovicic-Grenze, kurz Moho. Es gibt einen starken Anstieg der seismischen Geschwindigkeiten – von 7 auf 8-8,2 km/s. Diese Grenze liegt in einer Tiefe von 7 (unter den Ozeanen) bis 70 Kilometern (unter Faltengürteln). Der Erdmantel ist in einen oberen und einen unteren Mantel unterteilt. Die Grenze zwischen diesen Geosphären ist die Golitsyn-Schicht, die sich in einer Tiefe von etwa 670 km befindet.

Die Struktur der Erde nach Ansicht verschiedener Forscher

Der Unterschied in der Zusammensetzung der Erdkruste und des Erdmantels ist eine Folge ihrer Entstehung: Die zunächst homogene Erde wurde durch teilweises Schmelzen in einen niedrig schmelzenden und leichten Teil – die Kruste – und einen dichten und feuerfesten Mantel geteilt.

Informationsquellen zum Mantel

Der Erdmantel ist für direkte Untersuchungen unzugänglich: Er erreicht die Erdoberfläche nicht und wird auch nicht durch Tiefenbohrungen erreicht. Daher wurden die meisten Informationen über den Erdmantel durch geochemische und geophysikalische Methoden gewonnen. Daten über seine geologische Struktur sind sehr begrenzt.

Der Mantel wird anhand der folgenden Daten untersucht:

• Geophysikalische Daten. Zunächst einmal Daten zu seismischen Wellengeschwindigkeiten, elektrischer Leitfähigkeit und Schwerkraft.
• Mantelschmelzen – Basalte, Komatiite, Kimberlite, Lamproite, Karbonatite und einige andere magmatische Gesteine ​​entstehen durch teilweises Schmelzen des Mantels. Die Zusammensetzung der Schmelze ist eine Folge der Zusammensetzung der geschmolzenen Gesteine, des Schmelzintervalls und der physikalisch-chemischen Parameter des Schmelzprozesses. Im Allgemeinen ist die Rekonstruktion einer Quelle aus einer Schmelze eine schwierige Aufgabe.
• Fragmente von Mantelgesteinen, die durch Mantelschmelzen an die Oberfläche getragen werden – Kimberlite, alkalische Basalte usw. Dies sind Xenolithe, Xenokristalle und Diamanten. Unter den Informationsquellen über den Erdmantel nehmen Diamanten einen besonderen Platz ein. In Diamanten finden sich die tiefsten Mineralien, die möglicherweise sogar aus dem unteren Erdmantel stammen. In diesem Fall stellen diese Diamanten die tiefsten Fragmente der Erde dar, die einer direkten Untersuchung zugänglich sind.
• Mantelgesteine ​​in der Erdkruste. Solche Komplexe entsprechen am ehesten dem Mantel, unterscheiden sich aber auch von ihm. Der wichtigste Unterschied besteht in der Tatsache, dass sie in der Erdkruste vorhanden sind, woraus folgt, dass sie als Ergebnis ungewöhnlicher Prozesse entstanden sind und möglicherweise nicht den typischen Mantel widerspiegeln. Sie kommen in den folgenden geodynamischen Umgebungen vor:

1. Alpinotyp-Hyperbasite sind Teile des Erdmantels, die durch Gebirgsbildung in die Erdkruste eingelagert sind. Am häufigsten in den Alpen, daher der Name.
2. Ophiolitische hypermafische Gesteine ​​sind Predotite als Teil ophiolitischer Komplexe – Teile der alten ozeanischen Kruste.
3. Abyssale Peridotite sind Ausläufer von Mantelgesteinen auf dem Boden von Ozeanen oder Rifts.

Diese Komplexe haben den Vorteil, dass in ihnen geologische Beziehungen zwischen verschiedenen Gesteinen beobachtet werden können.

Kürzlich wurde bekannt, dass japanische Forscher einen Versuch planen, durch die ozeanische Kruste bis zum Erdmantel zu bohren. Zu diesem Zweck wurde das Schiff Chikyu gebaut. Der Bohrbeginn ist für 2007 geplant.

Der Hauptnachteil der aus diesen Fragmenten gewonnenen Informationen besteht darin, dass es nicht möglich ist, geologische Beziehungen zwischen verschiedenen Gesteinsarten herzustellen. Das sind Puzzleteile. Wie der Klassiker sagte: „Die Bestimmung der Zusammensetzung des Mantels aus Xenolithen erinnert an Versuche, die geologische Struktur von Bergen anhand der Kieselsteine ​​zu bestimmen, die ein Fluss aus ihnen herausgetragen hat.“

Mantelzusammensetzung

Der Mantel besteht hauptsächlich aus ultrabasischen Gesteinen: Peridotiten (Lherzolithe, Harzburgite, Wehrlite, Pyroxenite), Duniten und in geringerem Maße aus basischen Gesteinen – Eklogiten.

Außerdem wurden unter den Mantelgesteinen seltene Gesteinsarten identifiziert, die nicht in der Erdkruste vorkommen. Dabei handelt es sich um verschiedene Phlogopite, Peridotite, Grospidite und Karbonatite.

Gehalt an Hauptelementen im Erdmantel in Massenprozent

Element	Konzentration		Oxid	Konzentration
	44.8
	21.5		SiO2	46
	22.8		MgO	37.8
	5.8		FeO	7.5
	2.2		Al2O3	4.2
	2.3		CaO	3.2
	0.3		Na2O	0.4
	0.03		K2O	0.04
Summe	99.7		Summe	99.1

Struktur des Mantels

Die im Erdmantel ablaufenden Prozesse wirken sich direkt auf die Erdkruste und die Erdoberfläche aus und verursachen Kontinentalbewegungen, Vulkanismus, Erdbeben, Gebirgsbildung und die Bildung von Erzlagerstätten. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass der Mantel selbst aktiv vom metallischen Kern des Planeten beeinflusst wird.

Konvektion und Wolken

Referenzliste

• Pushcharovsky D.Yu., Pushcharovsky Yu.M. Zusammensetzung und Struktur des Erdmantels // Soros Educational Journal, 1998, Nr. 11, S. 111–119.
• Kovtun A.A. Elektrische Leitfähigkeit der Erde // Soros Educational Journal, 1997, Nr. 10, S. 111–117

Quelle: Koronovsky N.V., Yakushova A.F. „Grundlagen der Geologie“, M., 1991

Links

• Bilder der Erdkruste und des oberen Erdmantels // International Geological Correlation Program (IGCP), Projekt 474

Atmosphäre

Biosphäre

Der Planet, auf dem wir leben, ist der dritte von der Sonne aus gesehen, mit einem natürlichen Satelliten – dem Mond.

Unser Planet zeichnet sich durch eine geschichtete Struktur aus. Es besteht aus einer festen Silikathülle – Erdkruste, Erdmantel und Metallkern, innen fest und außen flüssig.

Die Grenzzone (Moho-Oberfläche) trennt die Erdkruste vom Erdmantel. Es erhielt seinen Namen zu Ehren des jugoslawischen Seismologen A. Mohorovicic, der bei der Untersuchung von Erdbeben auf dem Balkan die Existenz dieser Unterscheidung feststellte. Diese Zone wird als untere Grenze der Erdkruste bezeichnet.

Die nächste Schicht ist der Erdmantel

Lernen wir ihn kennen. Der Erdmantel ist ein Fragment, das sich unter der Erdkruste befindet und fast bis zum Kern reicht. Mit anderen Worten: Dies ist der Schleier, der das „Herz“ der Erde bedeckt. Dies ist der Hauptbestandteil des Globus.

Es besteht aus Gesteinen, deren Struktur Silikate von Eisen, Kalzium, Magnesium usw. umfasst. Im Allgemeinen gehen Wissenschaftler davon aus, dass sein innerer Inhalt in seiner Zusammensetzung steinigen Meteoriten (Chondriten) ähnelt. Der Erdmantel umfasst in größerem Umfang chemische Elemente, die in fester Form oder in festen chemischen Verbindungen vorliegen: Eisen, Sauerstoff, Magnesium, Silizium, Kalzium, Oxide, Kalium, Natrium usw.

Das menschliche Auge hat es noch nie gesehen, aber laut Wissenschaftlern besetzt es es am meisten Das Volumen der Erde beträgt etwa 83 %, ihre Masse beträgt fast 70 % der Erdkugel.

Es wird auch angenommen, dass zum Erdkern hin der Druck zunimmt und die Temperatur ihr Maximum erreicht.

Dadurch wird die Temperatur des Erdmantels auf über tausend Grad gemessen. Unter solchen Umständen scheint es, dass die Substanz des Mantels schmelzen oder in einen gasförmigen Zustand übergehen sollte, aber dieser Prozess wird durch extremen Druck gestoppt.

Folglich befindet sich der Erdmantel in einem kristallinen festen Zustand. Obwohl es gleichzeitig erhitzt wird.

Wie ist der Erdmantel aufgebaut?

Die Geosphäre kann durch das Vorhandensein von drei Schichten charakterisiert werden. Dies ist der obere Erdmantel, gefolgt von der Asthenosphäre, und der untere Mantel schließt die Reihe ab.

Der Erdmantel besteht aus einem oberen und einem unteren Erdmantel, wobei der erste 800 bis 900 km breit ist, der zweite 2.000 km breit ist. Die Gesamtdicke des Erdmantels (beide Schichten) beträgt etwa dreitausend Kilometer.

Das äußere Fragment befindet sich unter der Erdkruste und gelangt in die Lithosphäre, das untere besteht aus der Asthenosphäre und der Golitsin-Schicht, die durch eine Zunahme der Geschwindigkeit seismischer Wellen gekennzeichnet ist.

Nach der Hypothese der Wissenschaftler besteht der obere Erdmantel aus starkem Gestein und ist daher fest. Aber im Abstand von 50 bis 250 Kilometern von der Oberfläche der Erdkruste gibt es eine unvollständig geschmolzene Schicht – die Asthenosphäre. Das Material in diesem Teil des Mantels ähnelt einem amorphen oder halbgeschmolzenen Zustand.

Diese Schicht hat eine weiche Plastilinstruktur, entlang derer sich die darüber liegenden harten Schichten bewegen. Aufgrund dieser Eigenschaft kann dieser Teil des Mantels sehr langsam fließen, mit einer Geschwindigkeit von mehreren zehn Millimetern pro Jahr. Dennoch ist dies vor dem Hintergrund der Bewegung der Erdkruste ein sehr auffälliger Vorgang.

Die im Erdmantel ablaufenden Prozesse wirken sich direkt auf die Erdkruste aus, führen zur Bewegung von Kontinenten und zur Gebirgsbildung, mit der die Menschheit konfrontiert ist Naturphänomen, wie Vulkanismus, Erdbeben.

Lithosphäre

Die Oberseite des Mantels, die sich auf der heißen Asthenosphäre befindet, bildet zusammen mit der Kruste unseres Planeten einen starken Körper – die Lithosphäre. Übersetzt aus griechische Sprache- Stein. Es ist nicht massiv, sondern besteht aus lithosphärischen Platten.

Ihre Zahl beträgt dreizehn, bleibt jedoch nicht konstant. Sie bewegen sich sehr langsam, bis zu sechs Zentimeter pro Jahr.

Ihre kombinierten multidirektionalen Bewegungen, die mit Verwerfungen mit Rillenbildung in der Erdkruste einhergehen, werden als Tektonik bezeichnet.

Dieser Prozess wird durch die ständige Migration von Mantelbestandteilen aktiviert.

Daher kommt es zu den oben genannten Erschütterungen, es gibt Vulkane, Tiefseesenken und Bergrücken.

Magmatismus

Diese Aktion kann als schwieriger Prozess beschrieben werden. Sein Start erfolgt aufgrund der Bewegungen von Magma, das über separate Zentren verfügt, die sich in verschiedenen Schichten der Asthenosphäre befinden.

Aufgrund dieses Prozesses können wir den Ausbruch von Magma auf der Erdoberfläche beobachten. Dies sind bekannte Vulkane.

FRAGE Nr. 5

Der Mantel und Kern der Erde. Struktur, Kraft, körperliche Verfassung und Zusammensetzung. Zusammenhang der Begriffe „Erdkruste“, „Lithosphäre“, „Tektonosphäre“.

Mantel:

Unterhalb der Erdkruste befindet sich die nächste sogenannte Schicht Mantel. Es umgibt den Kern des Planeten und ist fast dreitausend Kilometer dick. Der Aufbau des Erdmantels ist sehr komplex und bedarf daher einer detaillierten Untersuchung.

Der Name dieser Muschel (Geosphäre) kommt vom griechischen Wort und bedeutet Mantel oder Decke. In der Wirklichkeit, Mantel, als ob eine Decke den Kern umhüllt. Es macht etwa 2/3 der Erdmasse und etwa 83 % ihres Volumens aus.

Die Schalentemperatur überschreitet nicht 2500 Grad Celsius. Besteht aus Mantel aus festen kristallinen Substanzen (schwere Mineralien, reich an Eisen und Magnesium). Die einzige Ausnahme ist Asthenosphäre, das sich in einem halbgeschmolzenen Zustand befindet.

Aufbau des Erdmantels:

Die Geosphäre besteht aus folgenden Teilen:

· oberer Erdmantel, 800–900 km dick;

· Asthenosphäre;

· Unterer Mantel, etwa 2000 km dick.

Oberer Mantel:

Der Teil der Hülle, der sich unterhalb der Erdkruste befindet und in die Lithosphäre gelangt. Es ist wiederum in die Asthenosphäre und die Golitsin-Schicht unterteilt, die durch einen starken Anstieg der Geschwindigkeit seismischer Wellen gekennzeichnet ist. Dieser feste Bestandteil des Erdmantels bildet zusammen mit der Erdkruste eine Art harte Hülle der Erde, Lithosphäre genannt .

Dieser Teil des Erdmantels beeinflusst Prozesse wie plattentektonische Bewegungen, Metamorphose und Magmatismus. Es ist erwähnenswert, dass seine Struktur je nachdem, unter welchem ​​tektonischen Objekt es sich befindet, unterschiedlich ist.

Asthenosphäre:

Der Name der mittleren Schicht der Schale wird aus dem Griechischen mit „schwacher Ball“ übersetzt. Die Geosphäre, die als oberer Teil des Mantels klassifiziert und manchmal in eine separate Schicht unterteilt wird, zeichnet sich durch eine verringerte Härte, Festigkeit und Viskosität aus.

Die obere Grenze der Asthenosphäre liegt immer unterhalb der äußersten Linie der Erdkruste: unter Kontinenten – in einer Tiefe von 100 km, unter dem Meeresboden – 50 km.

Seine untere Linie liegt in einer Tiefe von 250-300 km.

Asthenosphäre ist die Hauptquelle von Magma auf dem Planeten, und die Bewegung amorpher und plastischer Materie gilt als Ursache für tektonische Bewegungen in der horizontalen und vertikalen Ebene, Magmatismus und Metamorphose der Erdkruste.

Unterer Mantel:

Wissenschaftler wissen wenig über den unteren Teil des Erdmantels. Es wird angenommen, dass sich an der Grenze zum Kern eine spezielle Schicht D befindet, die an die Asthenosphäre erinnert. Es zeichnet sich durch hohe Temperaturen (aufgrund der Nähe des heißen Kerns) und Heterogenität der Substanz aus. Die Zusammensetzung der Masse umfasst Eisen und Nickel.

Unter der untersten Schicht des Mantels, in einer Tiefe von etwa 2900 km, gibt es einen weiteren Grenzbereich, in dem seismische Wellen ihr Ausbreitungsmuster dramatisch verändern. Transversale seismische Wellen breiten sich hier überhaupt nicht aus, was auf eine Veränderung der qualitativen Zusammensetzung der die Grenzschicht bildenden Substanz hinweist.

Hier liegt die Grenze zwischen dem Erdmantel und dem Erdkern.

Mantelzusammensetzung:

Die Geosphäre entsteht Olivin und ultramafische Gesteine ​​(Peridotite, Perowskite, Dunite), aber auch mafische Gesteine ​​(Eklogite) sind vorhanden. Es wurde festgestellt, dass die Schale seltene Sorten enthält, die in der Erdkruste nicht vorkommen (Grospidite, Phlogopite, Peridotite, Karbonatite).

Wenn darüber gesprochen wird chemische Zusammensetzung , dann enthält der Mantel in unterschiedlichen Konzentrationen: Sauerstoff, Magnesium, Silizium, Eisen, Aluminium, Kalzium, Natrium und Kalium sowie deren Oxide.

Leistung:

Die Dicke des Erdmantels beträgt: 2800 km.

Kern:

Die Existenz des Kerns unseres Planeten wurde bereits 1936 entdeckt; über seine Zusammensetzung und Struktur ist bisher wenig bekannt.

Vorkommenstiefe - 2900 km. Der durchschnittliche Radius der Kugel beträgt 3500 km.

Die Temperatur an der Oberfläche des festen Erdkerns erreicht angeblich 5960 ± 500 °C; im Zentrum des Kerns kann die Dichte etwa 12,5 t/m³ betragen, der Druck bis zu 3,7 Millionen atm. Kernmasse - 1,932·1024 kg.

Es ist durchaus möglich, dass die Substanzen, aus denen die zentralen Bereiche des Kerns bestehen, nicht in einen flüssigen Zustand übergehen und selbst bei kolossalen Temperaturen kristallisieren. Es wird angenommen, dass der Großteil des Erdkerns aus Eisen oder Eisen-Nickel-Legierungen besteht, deren Anteil an der Gesamtmasse des Erdkerns ein Drittel erreichen kann.

Struktur des Erdkerns:

Nach modernen Vorstellungen über den Aufbau des Erdkerns werden seine äußeren und inneren Bestandteile unterschieden.

· äußerer Kern

· innerer Kern

Äußerer Kern:

Die allererste Schicht des Kerns, die in direktem Kontakt mit dem Mantel steht äußerer Kern. Seine obere Grenze liegt in einer Tiefe von 2,3 Tausend Kilometern unter dem Meeresspiegel und die untere Grenze liegt in einer Tiefe von 2.900 Kilometern.

Äußerer Kern ist flüssig, enthält viel Eisen und befindet sich in ständiger Bewegung.

Äußerer Kern erhitzt den Erdmantel – und zwar an manchen Stellen so stark, dass die aufsteigenden Magmaströme sogar die Oberfläche erreichen und Vulkanausbrüche verursachen.

Die Bewegung der Schichten der flüssigen Komponente des Planetenkerns ist mit der Existenz von verbunden Magnetfeld um die Welt. Um einen stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld, und da die eisenhaltige Flüssigkeitsschicht des Kerns ein Leiter ist und sich ständig bewegt, ist das Auftreten starker Stromflüsse darin verständlich.

Dieser Strom bildet das Magnetfeld unseres Planeten.

Leistung:

Die Dicke des äußeren Erdkerns beträgt: 2220 km.

In einer Tiefe von etwas mehr als 5.000 km erstreckt sich die Grenze zwischen dem flüssigen (äußeren) und dem festen (inneren) Kern.

Innerer Kern:

Im Inneren befindet sich die Flüssigkeitshülle innerer Kern. Dies ist der feste Kern der Erde, dessen Durchmesser 1220 Kilometer beträgt.

Dieser Teil des Kerns ist sehr dicht – die durchschnittliche Konzentration der Substanz erreicht 12,8–13 g/cm3, was der doppelten Dichte von Eisen entspricht, und heiß – die Hitze erreicht die berühmten 5–6.000 Grad Celsius.

Nach der bestehenden Hypothese bleibt die feste Phase der darin enthaltenen Substanz aufgrund kolossaler Temperaturen und Drücke erhalten. Neben Eisen kann der Kern leichtere Elemente enthalten – Silizium, Schwefel, Sauerstoff, Wasserstoff usw.

Unter Wissenschaftlern gibt es die Hypothese, dass diese Stoffe, die von Natur aus keine Metalle sind, unter dem Einfluss enormer Drücke zur Metallisierung fähig sind. Es ist durchaus möglich, dass der feste Kern unseres Planeten sogar metallisierten Wasserstoff enthält.

Leistung:

Die Dicke des inneren Erdkerns beträgt: 1250 km.

Zusammenhang der Begriffe „Erdkruste“, „Lithosphäre“, „Tektonosphäre“.

Erdkruste	Lithosphäre	Tektonosphäre
Die äußere harte Hülle unseres Planeten.	Die obere Gesteinshülle der Erde, einschließlich der Erdkruste und des suprasthenosphärischen Mantels.	Die Geosphäre der Erde, die die Lithosphäre und eine Schicht niedriger Viskosität, die Asthenosphäre, umfasst.
Kontinentale Kruste hat eine Mächtigkeit von 35–45 km, in Berggebieten bis zu 80 km. Die kontinentale Kruste ist in Schichten unterteilt: · Sedimentschicht; · Granitschicht; · Basaltschicht. Ozeanische Kruste hat eine Mächtigkeit von 5-10 km. Die ozeanische Kruste ist in drei Schichten unterteilt: · Eine Schicht aus Meeressedimenten; · Mittlere Schicht oder „zweite“; · Die unterste Schicht oder „ozeanisch“. Es gibt auch einen Übergangstyp der Erdkruste.	In der Struktur der Lithosphäre werden mobile Regionen (Faltgürtel) und relativ stabile Plattformen unterschieden. Der obere Teil der Lithosphäre grenzt an die Atmosphäre und die Hydrosphäre. Die untere Grenze der Lithosphäre liegt über der Asthenosphäre – einer Schicht reduzierter Härte, Festigkeit und Viskosität im oberen Erdmantel.	Im geologischen Sinne lässt sich die Tektonosphäre hinsichtlich der materiellen Zusammensetzung bis in eine Tiefe von 400 km zurückverfolgen, im physikalischen, rheologischen Sinne ist sie jedoch unterteilt Lithosphäre und Asthenosphäre, und die Lithosphäre umfasst neben der Kruste auch einen Teil des oberen Erdmantels.

Es hat eine besondere Zusammensetzung, die sich von der Zusammensetzung der es bedeckenden Erdkruste unterscheidet. Daten zur chemischen Zusammensetzung des Erdmantels wurden auf der Grundlage von Analysen der tiefsten magmatischen Gesteine ​​gewonnen, die durch starke tektonische Hebungen unter Abtrag von Mantelmaterial in die oberen Erdhorizonte gelangten. Zu diesen Gesteinen gehören ultramafische Gesteine ​​– Dunite, Peridotite, die in Gebirgssystemen vorkommen. Felsen Die St. Paul-Inseln im mittleren Atlantik gehören allen geologischen Daten zufolge zum Mantelmaterial. Zum Mantelmaterial gehören auch Gesteinsfragmente, die von sowjetischen ozeanografischen Expeditionen vom Grund des Indischen Ozeans in der Region des Indischen Ozeans gesammelt wurden. Was die mineralogische Zusammensetzung des Erdmantels betrifft, sind hier aufgrund des zunehmenden Drucks erhebliche Veränderungen von den oberen Horizonten bis zur Erdmantelbasis zu erwarten. Der obere Mantel besteht überwiegend aus Silikaten (Olivinen, Pyroxenen, Granaten), die bei relativ niedrigen Drücken stabil sind. Der untere Mantel besteht aus Mineralien hoher Dichte.

Der häufigste Bestandteil des Mantels ist Siliziumoxid in Silikaten. Bei hohen Drücken kann sich Siliziumdioxid jedoch in ein dichteres Polymorph umwandeln – Stishovit. Dieses Mineral wurde vom sowjetischen Forscher Stishov gewonnen und nach ihm benannt. Wenn gewöhnlicher Quarz eine Dichte von 2,533 r/cm 3 hat, dann hat Stishovit, der aus Quarz bei einem Druck von 150.000 bar gebildet wird, eine Dichte von 4,25 g/cm 3.

Darüber hinaus sind im unteren Mantel wahrscheinlich dichtere Mineralmodifikationen anderer Verbindungen. Basierend auf dem oben Gesagten kann man vernünftigerweise davon ausgehen, dass gewöhnliche Eisen-Magnesium-Silikate, Olivine und Pyroxene mit zunehmendem Druck in Oxide zerfallen, die einzeln eine höhere Dichte aufweisen als Silikate, die im oberen Erdmantel stabil sind.

Der obere Mantel besteht überwiegend aus eisenhaltigen Magnesiumsilikaten (Olivinen, Pyroxenen). Einige Alumosilikate können sich hier in dichtere Mineralien wie Granate umwandeln. Unterhalb der Kontinente und Ozeane weist der obere Mantel unterschiedliche Eigenschaften und wahrscheinlich auch eine andere Zusammensetzung auf. Man kann nur davon ausgehen, dass der Mantel im kontinentalen Bereich aufgrund der Konzentration dieser Komponente in der Alumosilikatkruste differenzierter ist und weniger SiO 2 aufweist. Unterhalb der Ozeane ist der Mantel weniger differenziert. Im oberen Mantel können dichtere polymorphe Modifikationen von Olivin mit Spinellstruktur usw. auftreten.

Die Übergangsschicht des Mantels ist durch eine konstante Zunahme der Geschwindigkeiten seismischer Wellen mit der Tiefe gekennzeichnet, was auf das Auftreten dichterer polymorpher Modifikationen der Substanz hinweist. Hier treten offensichtlich Oxide von FeO, MgO, GaO, SiO 2 in Form von Wüstit, Periklas, Kalk und Stishovit auf. Ihre Zahl nimmt mit der Tiefe zu, während die Zahl der gewöhnlichen Silikate abnimmt und tiefer als 1000 km nur noch einen unbedeutenden Anteil ausmacht.

Der untere Mantel im Tiefenbereich von 1000–2900 km besteht fast ausschließlich aus dichten Mineralarten – Oxiden, was durch seine hohe Dichte im Bereich von 4,08–5,7 g/cm 3 belegt wird. Unter dem Einfluss von erhöhtem Druck werden dichte Oxide komprimiert, wodurch ihre Dichte weiter zunimmt. Auch im unteren Erdmantel dürfte der Eisengehalt zunehmen.

Der Kern der Erde. Die Frage der Zusammensetzung und physische Natur Der Kern unseres Planeten ist eines der spannendsten und geheimnisvollsten Probleme der Geophysik und Geochemie. Erst kürzlich gab es einen kleinen Durchbruch bei der Lösung dieses Problems.

Der riesige zentrale Kern der Erde, der einen inneren Bereich tiefer als 2900 km einnimmt, besteht aus einem großen äußeren Kern und einem kleinen inneren Kern. Laut seismischen Daten hat der äußere Kern die Eigenschaften einer Flüssigkeit. Es überträgt keine transversalen seismischen Wellen. Das Fehlen von Kohäsionskräften zwischen dem Kern und dem unteren Mantel, die Art der Gezeiten im Mantel und in der Kruste, die Besonderheiten der Bewegung der Erdrotationsachse im Weltraum und die Art des Durchgangs seismischer Wellen tiefer als 2900 km weisen darauf hin dass der äußere Kern der Erde flüssig ist.

Einige Autoren gingen davon aus, dass die Zusammensetzung des Kerns für ein chemisch homogenes Modell der Erde Silikat sei, und unter dem Einfluss von hohem Druck gingen die Silikate in einen „metallisierten“ Zustand über und erhielten eine atomare Struktur, in der die äußeren Elektronen geteilt sind. Die oben aufgeführten geophysikalischen Daten widersprechen jedoch der Annahme eines „metallisierten“ Zustands von Silikatmaterial im Erdkern. Insbesondere der fehlende Zusammenhalt zwischen Kern und Mantel kann nicht mit einem „metallisierten“ festen Kern vereinbar sein, der in der Lodochnikov-Ramzai-Hypothese angenommen wurde. Bei Experimenten mit Silikaten unter hohem Druck wurden sehr wichtige indirekte Daten über den Erdkern gewonnen. Gleichzeitig erreichte der Druck 5 Millionen atm. Mittlerweile beträgt der Druck im Erdmittelpunkt 3 Millionen atm und an der Grenze des Erdkerns etwa 1 Million atm. So gelang es experimentell, die in den Tiefen der Erde herrschenden Drücke zu blockieren. In diesem Fall wurde für Silikate nur eine lineare Kompression ohne Sprung und Übergang in einen „metallisierten“ Zustand beobachtet. Darüber hinaus können Silikate bei hohen Drücken im Tiefenbereich von 2900–6370 km nicht wie Oxide in flüssigem Zustand vorliegen. Ihr Schmelzpunkt steigt mit zunehmendem Druck.

Hinter letzten JahrenÜber den Einfluss sehr hoher Drücke auf den Schmelzpunkt von Metallen wurden sehr interessante Forschungsergebnisse erzielt. Es stellte sich heraus, dass eine Reihe von Metallen bei hohen Drücken (300.000 atm und mehr) bei relativ niedrigen Temperaturen in einen flüssigen Zustand übergehen. Nach einigen Berechnungen sollte eine Eisenlegierung mit einer Beimischung von Nickel und Silizium (76 % Fe, 10 % Ni, 14 % Si) in einer Tiefe von 2900 km unter dem Einfluss von hohem Druck bereits bei a in flüssigem Zustand sein Temperatur von 1000 °C. Aber die Temperatur in diesen Tiefen dürfte nach konservativsten Schätzungen der Geophysiker deutlich höher sein.

Angesichts moderner Daten aus der Geophysik und Hochdruckphysik sowie Daten aus der Kosmochemie, die auf die führende Rolle von Eisen als dem am häufigsten vorkommenden Metall im Weltraum hinweisen, sollte daher davon ausgegangen werden, dass der Erdkern hauptsächlich aus Flüssigkeit besteht Eisen mit einer Beimischung von Nickel. Berechnungen des amerikanischen Geophysikers F. Birch ergaben jedoch, dass die Dichte des Erdkerns bei den im Erdkern herrschenden Temperaturen und Drücken um 10 % geringer ist als die der Eisen-Nickel-Legierung. Daraus folgt, dass der metallische Kern der Erde eine erhebliche Menge (10–20 %) irgendeiner Art von Licht enthalten muss. Von allen leichtesten und häufigsten Elementen sind Silizium (Si) und Schwefel (S) die wahrscheinlichsten. Das Vorhandensein des einen oder anderen kann die beobachteten physikalischen Eigenschaften des Erdkerns erklären. Daher ist die Frage, ob Silizium oder Schwefel eine Beimischung des Erdkerns ist, umstritten und hängt mit der tatsächlichen Entstehung unseres Planeten zusammen.

A. Ridgwood ging 1958 davon aus, dass der Erdkern Silizium als leichtes Element enthält, und argumentierte, dass elementares Silizium in einer Menge von mehreren Gewichtsprozent in der Metallphase einiger reduzierter chondritischer Meteoriten (Enstatite) vorkommt. Es gibt jedoch keine weiteren Argumente für das Vorhandensein von Silizium im Erdkern.

Die Annahme, dass sich Schwefel im Erdkern befindet, ergibt sich aus einem Vergleich seiner Verteilung im chondritischen Material von Meteoriten und im Erdmantel. So zeigt ein Vergleich der elementaren Atomverhältnisse einiger flüchtiger Elemente in der Krusten-Mantel-Mischung und in Chondriten einen starken Schwefelmangel. Im Mantel- und Krustenmaterial ist die Schwefelkonzentration drei Größenordnungen niedriger als im durchschnittlichen Material Sonnensystem, die als Chondrite gelten.

Die Möglichkeit eines Schwefelverlusts bei den hohen Temperaturen der Urerde ist ausgeschlossen, da andere flüchtigere Elemente als Schwefel (z. B. H2 in Form von H2O), die einen viel geringeren Mangel aufwiesen, zu einem viel größeren Verlust verloren gegangen wären Ausmaß. Darüber hinaus verbindet sich Schwefel beim Abkühlen von Solargas chemisch mit Eisen und ist kein flüchtiges Element mehr.

Dabei ist es durchaus möglich, dass große Mengen Schwefel in den Erdkern gelangen. Es ist zu beachten, dass der Schmelzpunkt des Fe-FeS-Systems unter sonst gleichen Bedingungen deutlich niedriger ist als der Schmelzpunkt von Eisen oder Mantelsilikat. Bei einem Druck von 60 kbar beträgt die Schmelztemperatur des Fe-FeS-Systems (Eutektikum) also 990 °C, während reines Eisen 1610 °C und Mantelpyrolith 1310 °C beträgt Auf der überwiegend homogenen Erde bildet sich zunächst eine mit Schwefel angereicherte Eisenschmelze, die aufgrund ihrer geringen Viskosität und hohen Dichte leicht in die zentralen Teile des Planeten fließen und dort einen Eisen-Schwefel-Kern bilden kann. Somit wirkt das Vorhandensein von Schwefel in einem Eisen-Nickel-Medium als Flussmittel und senkt dessen Gesamtschmelzpunkt. Die Hypothese über das Vorhandensein erheblicher Mengen Schwefel im Erdkern ist sehr attraktiv und widerspricht nicht allen bekannten Daten der Geochemie und Kosmochemie.

Auf diese Weise, moderne Ideenüber die Beschaffenheit des Inneren unseres Planeten entsprechen einem chemisch differenzierten Globus, der sich als in zwei verschiedene Teile geteilt herausstellte: einen dicken festen Mantel aus Silikatoxid und einen flüssigen, hauptsächlich metallischen Kern. Die Erdkruste ist die leichteste obere harte Schale, besteht aus Alumosilikaten und weist die komplexeste Struktur auf.

Wenn wir das Gesagte zusammenfassen, können wir die folgenden Schlussfolgerungen ziehen.

1. Die Erde hat eine geschichtete Zonenstruktur. Es besteht zu zwei Dritteln aus einer festen Silikat-Oxid-Hülle – dem Mantel – und zu einem Drittel aus einem metallischen flüssigen Kern.
2. Die grundlegenden Eigenschaften der Erde deuten darauf hin, dass sich der Kern in einem flüssigen Zustand befindet und nur Eisen, eines der häufigsten Metalle, mit einer Beimischung einiger leichter Elemente (höchstwahrscheinlich Schwefel) in der Lage ist, diese Eigenschaften bereitzustellen.
3. In ihren oberen Horizonten weist die Erde eine asymmetrische Struktur auf, die die Kruste und den oberen Erdmantel bedeckt. Die ozeanische Hemisphäre im oberen Erdmantel ist weniger differenziert als die gegenüberliegende kontinentale Hemisphäre.

Die Aufgabe jeder kosmogonischen Theorie über den Ursprung der Erde besteht darin, diese Hauptmerkmale ihrer Erde zu erklären innere Natur und Komposition.

Erdmantel - Dies ist die Silikathülle der Erde, die hauptsächlich aus Peridotiten besteht – Gesteinen, die aus Silikaten von Magnesium, Eisen, Kalzium usw. bestehen. Durch das teilweise Schmelzen von Mantelgesteinen entstehen Basalt und ähnliche Schmelzen, die beim Aufstieg an die Oberfläche die Erdkruste bilden .

Der Erdmantel macht 67 % der Gesamtmasse der Erde und etwa 83 % des Gesamtvolumens der Erde aus. Es erstreckt sich von Tiefen von 5 bis 70 Kilometern unterhalb der Grenze zur Erdkruste bis zur Grenze zum Kern in einer Tiefe von 2900 km. Der Mantel liegt in einem riesigen Tiefenbereich und mit zunehmendem Druck in der Substanz kommt es zu Phasenübergängen, bei denen Mineralien eine immer dichtere Struktur annehmen. Die bedeutendste Transformation findet in einer Tiefe von 660 Kilometern statt. Die Thermodynamik dieses Phasenübergangs ist so, dass Mantelmaterie unterhalb dieser Grenze diese nicht durchdringen kann und umgekehrt. Oberhalb der Grenze von 660 Kilometern liegt der obere Erdmantel, darunter entsprechend der untere Erdmantel. Diese beiden Teile des Erdmantels haben unterschiedliche Zusammensetzungen und physikalische Eigenschaften. Obwohl Informationen über die Zusammensetzung des unteren Erdmantels begrenzt sind und die Anzahl direkter Daten sehr gering ist, kann mit Sicherheit festgestellt werden, dass sich seine Zusammensetzung seit der Entstehung der Erde deutlich weniger verändert hat als die des oberen Erdmantels, aus dem die Erdkruste entstand Erdkruste.

Die Wärmeübertragung im Erdmantel erfolgt durch langsame Konvektion, durch plastische Verformung von Mineralien. Die Geschwindigkeit der Materiebewegung während der Mantelkonvektion liegt in der Größenordnung von mehreren Zentimetern pro Jahr. Diese Konvektion setzt Lithosphärenplatten in Bewegung. Die Konvektion im oberen Erdmantel erfolgt separat. Es gibt Modelle, die von einer noch komplexeren Struktur der Konvektion ausgehen.

Seismisches Modell der Erdstruktur

Die Zusammensetzung und Struktur der tiefen Erdschichten ist auch in den letzten Jahrzehnten eines der faszinierendsten Probleme der modernen Geologie. Die Anzahl direkter Daten zur Substanz tiefer Zonen ist sehr begrenzt. Einen besonderen Platz nimmt in dieser Hinsicht ein Mineralaggregat aus dem Kimberlitrohr von Lesotho (Südafrika) ein, das als Vertreter der Mantelgesteine ​​gilt, die in einer Tiefe von ~250 km vorkommen. Der Kern, der aus der tiefsten Bohrung der Welt geborgen wurde, die auf der Kola-Halbinsel gebohrt wurde und eine Höhe von 12.262 m erreichte, erweiterte die wissenschaftlichen Vorstellungen über die tiefen Horizonte der Erdkruste – den dünnen oberflächennahen Film des Globus – erheblich. Gleichzeitig ermöglichen neueste Daten aus der Geophysik und Experimente zur Erforschung von Strukturumwandlungen von Mineralien bereits die Simulation vieler Merkmale der Struktur, Zusammensetzung und Prozesse in den Tiefen der Erde, deren Kenntnis dabei hilft Lösen Sie Schlüsselprobleme der modernen Naturwissenschaften wie die Entstehung und Entwicklung des Planeten, die Dynamik der Erdkruste und des Erdmantels sowie Quellen Bodenschätze, Risikobewertung der Entsorgung gefährlicher Abfälle in großen Tiefen, Energieressourcen der Erde usw.

Ein weithin bekanntes Modell der inneren Struktur der Erde (Unterteilung in Kern, Mantel und Kruste) wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts von den Seismologen G. Jeffries und B. Gutenberg entwickelt. Ausschlaggebend war in diesem Fall die Entdeckung einer starken Abnahme der Durchgangsgeschwindigkeit seismischer Wellen im Inneren des Globus in einer Tiefe von 2900 km bei einem Planetenradius von 6371 km. Die Durchgangsgeschwindigkeit longitudinaler seismischer Wellen direkt über der angegebenen Grenze beträgt 13,6 km/s und darunter 8,1 km/s. Dies ist die Grenze zwischen Mantel und Kern.

Dementsprechend beträgt der Radius des Kerns 3471 km. Die obere Grenze des Mantels ist der seismische Abschnitt Mohorovicic (Moho, M), der bereits 1909 vom jugoslawischen Seismologen A. Mohorovicic (1857-1936) identifiziert wurde. Es trennt die Erdkruste vom Erdmantel. Zu diesem Zeitpunkt steigen die Geschwindigkeiten der Longitudinalwellen, die die Erdkruste durchdringen, schlagartig von 6,7–7,6 auf 7,9–8,2 km/s an, allerdings in unterschiedlichen Tiefenniveaus. Unter Kontinenten beträgt die Tiefe des Abschnitts M (d. h. der Basis der Erdkruste) einige Dutzend Kilometer, und unter einigen Gebirgsstrukturen (Pamir, Anden) kann sie 60 km erreichen, während sie unter Ozeanbecken, einschließlich des Wassers, bis zu 60 km erreichen kann Spalte, die Tiefe beträgt nur 10-12 km. Im Allgemeinen erscheint die Erdkruste in diesem Schema als dünne Hülle, während der Mantel in die Tiefe bis zu 45 % des Erdradius reicht.

Doch Mitte des 20. Jahrhunderts gelangten Ideen über die detailliertere Tiefenstruktur der Erde in die Wissenschaft. Basierend auf neuen seismologischen Daten erwies es sich als möglich, den Kern in einen inneren und einen äußeren und den Mantel in einen unteren und einen oberen zu unterteilen. Dieses weit verbreitete Modell wird auch heute noch verwendet. Es wurde vom australischen Seismologen K.E. ins Leben gerufen. Bullen, der Anfang der 40er Jahre ein Schema zur Einteilung der Erde in Zonen vorschlug, das er mit Buchstaben bezeichnete: A – die Erdkruste, B – Zone im Tiefenbereich von 33–413 km, C – Zone 413–984 km, D – Zone 984–2898 km, D – 2898–4982 km, F – 4982–5121 km, G – 5121–6371 km (Erdmittelpunkt). Diese Zonen unterscheiden sich in ihren seismischen Eigenschaften. Später teilte er die Zone D in die Zonen D“ (984–2700 km) und D“ (2700–2900 km) ein. Derzeit wurde dieses Schema erheblich modifiziert und in der Literatur wird nur die Schicht D weithin verwendet. Ihr Hauptmerkmal ist eine Abnahme der seismischen Geschwindigkeitsgradienten im Vergleich zur darüber liegenden Mantelregion.

Der innere Kern mit einem Radius von 1225 km ist massiv und weist eine hohe Dichte von 12,5 g/cm 3 auf. Der äußere Kern ist flüssig, seine Dichte beträgt 10 g/cm3. An der Kern-Mantel-Grenze kommt es nicht nur zu einem starken Sprung in der Geschwindigkeit der Longitudinalwellen, sondern auch in der Dichte. Im Erdmantel sinkt sie auf 5,5 g/cm3. Die Schicht D, die in direktem Kontakt mit dem äußeren Kern steht, wird davon beeinflusst, da die Temperaturen im Kern die Temperaturen des Erdmantels deutlich übersteigen. Diese Schicht erzeugt stellenweise enorme Wärme und durch sie werden Massenströme Richtung Erdoberfläche geleitet Mantel, sogenannte Plumes. Sie können sich auf dem Planeten in Form großer vulkanischer Gebiete manifestieren, beispielsweise auf den Hawaii-Inseln, in Island und anderen Regionen.

Die obere Grenze der Schicht D" ist ungewiss; ihre Höhe von der Oberfläche des Kerns kann zwischen 200 und 500 km oder mehr variieren. Daraus können wir schließen, dass diese Schicht die ungleichmäßige und unterschiedliche Intensitätsversorgung der Mantelregion mit Kernenergie widerspiegelt .

Die Grenze des unteren und oberen Erdmantels im betrachteten Schema ist der seismische Abschnitt in einer Tiefe von 670 km. Es ist global verbreitet und wird durch einen Sprung der seismischen Geschwindigkeiten in Richtung ihres Anstiegs sowie eine Zunahme der Materiedichte im unteren Erdmantel begründet. Dieser Abschnitt ist auch die Grenze der Veränderungen in der Mineralzusammensetzung der Gesteine ​​im Erdmantel.

Somit erstreckt sich der untere Erdmantel, der zwischen 670 und 2900 km tief liegt, über 2230 km entlang des Erdradius. Der obere Mantel verfügt über einen gut dokumentierten inneren seismischen Abschnitt, der in einer Tiefe von 410 km verläuft. Beim Überqueren dieser Grenze von oben nach unten steigen die seismischen Geschwindigkeiten stark an. Hier, wie auch an der unteren Grenze des oberen Erdmantels, finden erhebliche Mineralumwandlungen statt.

Der obere Teil des oberen Erdmantels und die Erdkruste werden zusammen als Lithosphäre bezeichnet, die im Gegensatz zur Hydro- und Atmosphäre die obere feste Hülle der Erde darstellt. Dank der Theorie der lithosphärischen Plattentektonik hat sich der Begriff „Lithosphäre“ weit verbreitet. Die Theorie geht von der Bewegung von Platten durch die Asthenosphäre aus – einer erweichten, teilweise möglicherweise flüssigen, tiefen Schicht mit niedriger Viskosität. Die Seismologie zeigt jedoch keine räumlich konsistente Asthenosphäre. Für viele Gebiete wurden mehrere vertikal angeordnete asthenosphärische Schichten sowie deren horizontale Diskontinuität identifiziert. Ihr Wechsel ist besonders deutlich innerhalb von Kontinenten zu beobachten, wo die Tiefe der asthenosphärischen Schichten (Linsen) zwischen 100 km und vielen Hundert variiert. Unter den Tiefseesenken liegt die asthenosphärische Schicht in Tiefen von 70–80 km oder weniger. Dementsprechend ist die untere Grenze der Lithosphäre tatsächlich ungewiss, und dies stellt, wie viele Forscher festgestellt haben, große Schwierigkeiten für die Theorie der Kinematik lithosphärischer Platten dar.

Moderne Daten zu seismischen Grenzen

Mit der Durchführung seismologischer Untersuchungen werden Voraussetzungen geschaffen, um neue seismische Grenzen zu identifizieren. Als global gelten die Grenzen von 410, 520, 670, 2900 km, wo der Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeiten besonders auffällig ist. Daneben werden Zwischengrenzen identifiziert: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 km. Darüber hinaus gibt es Hinweise von Geophysikern auf die Existenz von Grenzen von 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 km. N.I. Pavlenkova identifizierte kürzlich Grenze 100 als globale Grenze, die der unteren Ebene der Unterteilung des oberen Mantels in Blöcke entspricht. Die Zwischengrenzen weisen unterschiedliche räumliche Verteilungen auf, was auf die laterale Variabilität der physikalischen Eigenschaften des Mantels hinweist, von denen sie abhängen. Globale Grenzen stellen eine andere Kategorie von Phänomenen dar. Sie entsprechen globalen Veränderungen der Mantelumgebung entlang des Erdradius.

Die markierten globalen seismischen Grenzen werden bei der Erstellung geologischer und geodynamischer Modelle verwendet, während intermediäre Grenzen in diesem Sinne bisher kaum Beachtung gefunden haben. Mittlerweile bilden Unterschiede im Ausmaß und in der Intensität ihrer Manifestation eine empirische Grundlage für Hypothesen über Phänomene und Prozesse in den Tiefen des Planeten.

Zusammensetzung des oberen Mantels

Das Problem der Zusammensetzung, Struktur und Mineralverbände der tiefen Erdhüllen oder Geosphären ist natürlich noch lange nicht endgültig gelöst, aber neue experimentelle Ergebnisse und Ideen erweitern und präzisieren die entsprechenden Vorstellungen erheblich.

Nach modernen Ansichten wird der Erdmantel von einer relativ kleinen Gruppe dominiert chemische Elemente: Si, Mg, Fe, Al, Ca und O. Die vorgeschlagenen Modelle der Geosphärenzusammensetzung basieren hauptsächlich auf den Unterschieden in den Verhältnissen dieser Elemente (Variationen Mg/(Mg + Fe) = 0,8–0,9; (Mg + Fe) / Si = 1,2Р1,9) sowie auf Unterschiede im Gehalt an Al und einigen anderen Elementen, die in tiefen Gesteinen seltener vorkommen. Entsprechend der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung erhielten diese Modelle ihre Namen: pyrolytisch (die Hauptmineralien sind Olivin, Pyroxene und Granat im Verhältnis 4:2:1), piclogitisch (die Hauptmineralien sind Pyroxen und Granat und der Anteil Der Anteil an Olivin ist auf 40 % reduziert und eklogitisch, wobei neben der für Eklogite charakteristischen Pyroxen-Granat-Assoziation auch einige seltenere Mineralien vorkommen, insbesondere Al-haltiger Kyanit Al 2 SiO 5 (bis zu 10 Gew.-%). . Alle diese petrologischen Modelle beziehen sich jedoch hauptsächlich auf Gesteine ​​des oberen Erdmantels, die sich bis in Tiefen von ~670 km erstrecken. Im Hinblick auf die Massenzusammensetzung tieferer Geosphären wird lediglich angenommen, dass das Verhältnis von Oxiden zweiwertiger Elemente (MO) zu Siliciumdioxid (MO/SiO 2) ~ 2 beträgt und damit näher an Olivin (Mg, Fe) 2 SiO 4 liegt als zu Pyroxen (Mg, Fe) SiO 3 und unter den Mineralien Perowskitphasen (Mg, Fe)SiO 3 mit verschiedenen Strukturverzerrungen, Magnesiowüstit (Mg, Fe)O mit einer NaCl-artigen Struktur und einige andere Phasen in viel kleineren Mengen überwiegen.

Alle vorgeschlagenen Modelle sind sehr allgemein und hypothetisch. Das Olivin-dominierte pyrolytische Modell des oberen Mantels legt nahe, dass er in seiner chemischen Zusammensetzung dem gesamten tieferen Mantel viel ähnlicher ist. Im Gegenteil geht das Piclogit-Modell von einem gewissen chemischen Kontrast zwischen dem oberen und dem Rest des Erdmantels aus. Ein spezifischeres Eklogit-Modell berücksichtigt das Vorhandensein einzelner Eklogit-Linsen und -Blöcke im oberen Mantel.

Von großem Interesse ist der Versuch, die strukturellen, mineralogischen und geophysikalischen Daten des oberen Erdmantels in Einklang zu bringen. Seit etwa 20 Jahren wird angenommen, dass der Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeiten in einer Tiefe von ~410 km hauptsächlich mit der strukturellen Umwandlung von Olivin a-(Mg, Fe) 2 SiO 4 in Wadsleyit b-(Mg, Fe) zusammenhängt ) 2 SiO 4, begleitet von der Bildung einer dichteren Phase Mit große Werte Elastizitätskoeffizienten. Geophysikalischen Daten zufolge nehmen in solchen Tiefen im Erdinneren die seismischen Wellengeschwindigkeiten um 3-5 % zu, während die strukturelle Umwandlung von Olivin in Wadsleyit (entsprechend den Werten ihrer Elastizitätsmodule) mit einem Anstieg einhergehen sollte in seismischen Wellengeschwindigkeiten um etwa 13 %. Gleichzeitig zeigten die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen von Olivin und Olivin-Pyroxen-Gemischen bei hohen Temperaturen und Drücken eine vollständige Übereinstimmung des berechneten und experimentellen Anstiegs der seismischen Wellengeschwindigkeiten im Tiefenbereich von 200–400 km. Da Olivin ungefähr die gleiche Elastizität wie hochdichte monokline Pyroxene aufweist, deuten diese Daten auf das Fehlen von hochelastischem Granat in der darunter liegenden Zone hin, dessen Vorhandensein im Mantel unweigerlich zu einem deutlicheren Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeiten führen würde. Diese Vorstellungen über den granatfreien Mantel standen jedoch im Widerspruch zu petrologischen Modellen seiner Zusammensetzung.

So entstand die Idee, dass der Anstieg der seismischen Wellengeschwindigkeiten in einer Tiefe von 410 km hauptsächlich mit der strukturellen Neuordnung von Pyroxen-Granaten innerhalb der Na-angereicherten Teile des oberen Erdmantels zusammenhängt. Dieses Modell geht von einem nahezu vollständigen Fehlen von Konvektion im oberen Erdmantel aus, was modernen geodynamischen Konzepten widerspricht. Die Überwindung dieser Widersprüche kann mit dem kürzlich vorgeschlagenen umfassenderen Modell des oberen Erdmantels in Verbindung gebracht werden, das die Einbeziehung von Eisen- und Wasserstoffatomen in die Wadsleyit-Struktur ermöglicht.

Während der polymorphe Übergang von Olivin zu Wadsleyit nicht mit einer Veränderung einhergeht chemische Zusammensetzung In Gegenwart von Granat kommt es zu einer Reaktion, die zur Bildung von Wadsleyit führt, der im Vergleich zum ursprünglichen Olivin mit Fe angereichert ist. Darüber hinaus kann Wadsleyit im Vergleich zu Olivin deutlich mehr Wasserstoffatome enthalten. Die Beteiligung von Fe- und H-Atomen an der Struktur von Wadsleyit führt zu einer Verringerung seiner Steifigkeit und dementsprechend zu einer Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen, die dieses Mineral durchqueren.

Darüber hinaus deutet die Bildung von Fe-angereichertem Wadsleyit darauf hin, dass mehr Olivin an der entsprechenden Reaktion beteiligt ist, was mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung der Gesteine ​​in der Nähe von Abschnitt 410 einhergehen sollte. Vorstellungen über diese Transformationen werden durch moderne globale seismische Daten bestätigt . Im Allgemeinen scheint die mineralogische Zusammensetzung dieses Teils des oberen Erdmantels mehr oder weniger klar zu sein. Wenn wir über die Pyrolith-Mineralassoziation sprechen, wurde ihre Umwandlung bis in Tiefen von ~800 km hinreichend detailliert untersucht. In diesem Fall entspricht die globale seismische Grenze in einer Tiefe von 520 km der Umwandlung von Wadsleyit b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 in Ringwoodit – g-Modifikation (Mg, Fe) 2 SiO 4 mit Spinellstruktur. Die Umwandlung von Pyroxen (Mg, Fe)SiO 3 Granat Mg 3 (Fe, Al, Si) 2 Si 3 O 12 erfolgt im oberen Mantel über einen größeren Tiefenbereich. Somit enthält die gesamte relativ homogene Hülle im Bereich von 400–600 km des oberen Mantels hauptsächlich Phasen mit den Strukturtypen Granat und Spinell.

Alle derzeit vorgeschlagenen Modelle für die Zusammensetzung von Mantelgesteinen gehen davon aus, dass sie Al 2 O 3 in einer Menge von etwa 4 Gew.-% enthalten. %, was sich auch auf die Besonderheiten struktureller Transformationen auswirkt. Es wird darauf hingewiesen, dass Al in bestimmten Bereichen des zusammensetzungsmäßig heterogenen oberen Erdmantels in Mineralien wie Korund Al 2 O 3 oder Kyanit Al 2 SiO 5 konzentriert sein kann, das bei Drücken und Temperaturen, die Tiefen von ~450 km entsprechen, umgewandelt wird in Korund und Stishovit ist eine Modifikation von SiO 2, deren Struktur ein Gerüst aus SiO 6-Oktaedern enthält. Beide Mineralien sind nicht nur im unteren Obermantel, sondern auch tiefer erhalten.

Der wichtigste Bestandteil der chemischen Zusammensetzung der 400–670 km breiten Zone ist Wasser, dessen Gehalt einigen Schätzungen zufolge etwa 0,1 Gew.-% beträgt. % und deren Vorkommen wird hauptsächlich mit Mg-Silikaten in Verbindung gebracht. Die in dieser Hülle gespeicherte Wassermenge ist so groß, dass sie auf der Erdoberfläche eine 800 m dicke Schicht bilden würde.

Zusammensetzung des Mantels unterhalb der 670-km-Grenze

Studien zu Strukturübergängen von Mineralien, die in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten mit Hochdruck-Röntgenkameras durchgeführt wurden, haben es ermöglicht, einige Merkmale der Zusammensetzung und Struktur von Geosphären tiefer als die 670-km-Grenze zu simulieren.

Bei diesen Experimenten wird der untersuchte Kristall zwischen zwei Diamantpyramiden (Ambosse) platziert, deren Kompression Drücke erzeugt, die mit den Drücken im Erdmantel und im Erdkern vergleichbar sind. Allerdings sind zu diesem Teil des Erdmantels, der mehr als die Hälfte des Erdinneren ausmacht, noch viele Fragen offen. Derzeit stimmen die meisten Forscher der Annahme zu, dass dieser gesamte tiefe (im herkömmlichen Sinne untere) Mantel hauptsächlich aus der perowskitähnlichen Phase (Mg,Fe)SiO 3 besteht, die etwa 70 % seines Volumens (40 % des Volumens) ausmacht Gesamtvolumen Erde) und Magnesiowüstit (Mg, Fe)O (~20 %). Die restlichen 10 % bestehen aus Stishovit- und Oxidphasen mit Ca, Na, K, Al und Fe, deren Kristallisation in den Strukturtypen Ilmenit-Korund (Mischkristall (Mg, Fe)SiO 3 -Al 2 O 3) zulässig ist ), kubischer Perowskit (CaSiO 3) und Ca-Ferrit (NaAlSiO 4). Die Bildung dieser Verbindungen ist mit verschiedenen Strukturumwandlungen von Mineralien im oberen Erdmantel verbunden. In diesem Fall wird eine der Hauptmineralphasen einer relativ homogenen Hülle, die im Tiefenbereich von 410–670 km liegt, spinellartiger Ringwoodit, in eine Assoziation aus (Mg, Fe)-Perowskit und Mg-Wüstit umgewandelt Grenze von 670 km, wo der Druck ~24 GPa beträgt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Übergangszone, ein Vertreter der Granatfamilie, Pyrop Mg 3 Al 2 Si 3 O 12, erfährt eine Umwandlung unter Bildung von orthorhombischem Perowskit (Mg, Fe) SiO 3 und einer festen Lösung von Korund-Ilmenit ( Mg, Fe) SiO 3 - Al 2 O 3 bei etwas höheren Drücken. Dieser Übergang ist mit einer Änderung der Geschwindigkeit seismischer Wellen an der Grenze von 850–900 km verbunden, was einer der mittleren seismischen Grenzen entspricht. Die Umwandlung von Andradit-Sagranat bei niedrigeren Drücken von ~21 GPa führt zur Bildung einer weiteren wichtigen Komponente des oben erwähnten unteren Ca 3 Fe 2 3+ Si 3 O 12-Mantels – kubischem Saperowskit CaSiO 3 . Das Polarverhältnis zwischen den Hauptmineralien dieser Zone (Mg,Fe)-Perowskit (Mg,Fe)SiO 3 und Mg-Wüstit (Mg, Fe)O variiert über einen ziemlich weiten Bereich und in einer Tiefe von ~1170 km bei a Druck von ~29 GPa und Temperaturen von 2000–2800 0 C variieren von 2:1 bis 3:1.

Die außergewöhnliche Stabilität von MgSiO 3 mit einer Struktur vom orthorhombischen Perowskit-Typ in einem weiten Druckbereich, der den Tiefen des unteren Erdmantels entspricht, ermöglicht es uns, es als einen der Hauptbestandteile dieser Geosphäre zu betrachten. Grundlage für diese Schlussfolgerung waren Experimente, bei denen Proben von Mg-Perowskit MgSiO 3 einem Druck ausgesetzt wurden, der 1,3 Millionen Mal höher als der Atmosphärendruck war, und gleichzeitig wurde die Probe, zwischen Diamantambossen platziert, einem Laserstrahl mit einer Temperatur ausgesetzt von etwa 2000 0 C. Somit haben wir die Bedingungen simuliert, die in Tiefen von ~2800 km herrschen, also nahe der unteren Grenze des unteren Erdmantels. Es stellte sich heraus, dass das Mineral weder während noch nach dem Experiment seine Struktur und Zusammensetzung veränderte. So kamen L. Liu sowie E. Nittle und E. Jeanloz zu dem Schluss, dass Mg-Perowskit aufgrund seiner Stabilität als das häufigste Mineral auf der Erde gilt und offenbar fast die Hälfte seiner Masse ausmacht.

Nicht weniger stabil ist Wüstit Fe x O, dessen Zusammensetzung unter den Bedingungen des unteren Erdmantels durch den Wert des stöchiometrischen Koeffizienten x gekennzeichnet ist< 0,98, что означает одновременное присутствие в его составе Fe 2+ и Fe 3+ . При этом, согласно экспериментальным данным, температура плавления вюстита на границе нижней мантии и слоя D", по данным Р. Болера (1996), оценивается в ~5000 K, что намного выше 3800 0 С, предполагаемой для этого уровня (при средних температурах мантии ~2500 0 С в основании нижней мантии допускается повышение температуры приблизительно на 1300 0 С). 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 и уж во всяком случае не означает четко очерченной границы между ними.

Es ist zu beachten, dass die in großen Tiefen vorherrschenden perowskitähnlichen Phasen eine sehr begrenzte Menge an Fe enthalten können und erhöhte Fe-Konzentrationen in den Mineralien der tiefen Assoziation nur für Magnesiowüstit charakteristisch sind. Gleichzeitig besteht für Magnesiowüstit die Möglichkeit des Übergangs unter dem Einfluss hoher Drücke eines Teils des darin enthaltenen zweiwertigen Eisens in dreiwertiges Eisen, das in der Struktur des Minerals verbleibt, bei gleichzeitiger Freisetzung einer entsprechenden Menge neutralen Eisens , hat sich bewährt. Basierend auf diesen Daten stellten die Mitarbeiter des geophysikalischen Labors des Carnegie Institute H. Mao, P. Bell und T. Yagi neue Ideen zur Differenzierung der Materie in den Tiefen der Erde vor. Im ersten Stadium sinkt Magnesiowüstit aufgrund der Gravitationsinstabilität bis zu einer Tiefe, wo unter dem Einfluss von Druck ein Teil des Eisens in neutraler Form aus ihm freigesetzt wird. Restmagnesiowüstit, das sich durch eine geringere Dichte auszeichnet, steigt in die oberen Schichten auf, wo es erneut mit perowskitähnlichen Phasen vermischt wird. Der Kontakt mit ihnen geht mit der Wiederherstellung der Stöchiometrie (d. h. des ganzzahligen Verhältnisses der Elemente in) einher chemische Formel) Magnesiowüstit und führt zu der Möglichkeit, den beschriebenen Vorgang zu wiederholen. Neue Daten ermöglichen es uns, die Menge der für den tiefen Erdmantel wahrscheinlichen chemischen Elemente etwas zu erweitern. Beispielsweise weist die von N. Ross (1997) belegte Stabilität von Magnesit bei Drücken, die Tiefen von ~900 km entsprechen, auf das mögliche Vorhandensein von Kohlenstoff in seiner Zusammensetzung hin.

Die Identifizierung einzelner seismischer Zwischengrenzen unterhalb der 670er-Marke korreliert mit Daten zu den Strukturumwandlungen von Mantelmineralien, deren Formen sehr unterschiedlich sein können. Ein Beispiel für Veränderungen in vielen Eigenschaften verschiedener Kristalle bei hohen Werten physikalisch-chemischer Parameter, die dem tiefen Mantel entsprechen, kann laut R. Jeanloz und R. Hazen die Umstrukturierung ionenkovalenter Bindungen von Wustit sein, die bei Experimenten bei Drücken aufgezeichnet wurde von 70 Gigapascal (GPa) (~1700 km) aufgrund der metallischen Art interatomarer Wechselwirkungen. Die 1200-Marke könnte der Umwandlung von SiO 2 mit der Stishovit-Struktur in den Strukturtyp CaCl 2 (orthorhombisches Analogon von Rutil-TiO 2) entsprechen, die auf der Grundlage theoretischer quantenmechanischer Berechnungen vorhergesagt und anschließend bei einem Druck von ~45 GPa und a modelliert wurde Temperatur von ~2000 0 C und 2000 km - seine anschließende Umwandlung in eine Phase mit einer Struktur zwischen a-PbO 2 und ZrO 2, gekennzeichnet durch eine dichtere Packung von Silizium-Sauerstoff-Oktaedern (Daten von L.S. Dubrovinsky et al.). Außerdem ist ab diesen Tiefen (~2000 km) bei Drücken von 80–90 GPa die Zersetzung von Perowskit-ähnlichem MgSiO 3 möglich, begleitet von einem Anstieg des Gehalts an Periklas-MgO und freier Kieselsäure. Bei einem etwas höheren Druck (~96 GPa) und einer Temperatur von 800 °C wurde die Manifestation der Polytypie in FeO festgestellt, verbunden mit der Bildung von Strukturfragmenten wie Nickel NiAs, die sich mit Anti-Nickel-Domänen abwechseln, in denen Fe-Atome enthalten sind befinden sich an den Positionen der As-Atome und O-Atome an den Positionen der Ni-Atome. Nahe der D"-Grenze findet die Umwandlung von Al 2 O 3 mit der Korundstruktur in eine Phase mit der Struktur von Rh 2 O 3 statt, experimentell modelliert bei Drücken von ~100 GPa, also in einer Tiefe von ~2200-2300 km. Der Übergang wird mit der Methode der Mössbauer-Spektroskopie bei gleichem Druck vom High-Spin-Zustand (HS) zum Low-Spin-Zustand (LS) der Fe-Atome in der Struktur von Magnesiowüstit nachgewiesen, also eine Änderung ihrer elektronische Struktur. In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, dass die Struktur von Wustit FeO bei Bluthochdruck gekennzeichnet durch Nichtstöchiometrie der Zusammensetzung, Atompackungsfehler, Polytypie sowie Änderungen der magnetischen Ordnung, die mit Änderungen in der elektronischen Struktur (HS => LS – Übergang) von Fe-Atomen verbunden sind. Die genannten Merkmale erlauben es uns, Wustit als eines der komplexesten Mineralien mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu betrachten, die die Spezifität der tiefen Zonen der Erde bestimmen, in denen es nahe der D-Grenze angereichert ist.“

Seismologische Messungen deuten darauf hin, dass sowohl der innere (feste) als auch der äußere (flüssige) Kern der Erde eine geringere Dichte aufweisen als der Wert, der auf der Grundlage eines Modells eines Kerns, der nur aus metallischem Eisen besteht, unter denselben physikalisch-chemischen Parametern erhalten wurde. Die meisten Forscher führen diese Abnahme der Dichte auf das Vorhandensein von Elementen wie Si, O, S und sogar O im Kern zurück, die mit Eisen Legierungen bilden. Zu den Phasen, die für solche „faustischen“ physikalisch-chemischen Bedingungen (Druck ~250 GPa und Temperatur 4000-6500 0 C) wahrscheinlich sind, gehören Fe 3 S mit den bekannten Strukturtypen Cu 3 Au und Fe 7 S. Eine weitere Phase wird im Kern vermutet ist b-Fe, dessen Struktur durch eine vierschichtige dichte Packung von Fe-Atomen gekennzeichnet ist. Der Schmelzpunkt dieser Phase wird auf 5000 0 C bei einem Druck von 360 GPa geschätzt. Das Vorhandensein von Wasserstoff im Kern ist aufgrund seiner geringen Löslichkeit in Eisen bei Atmosphärendruck seit langem umstritten. Neuere Experimente (Daten von J. Bedding, H. Mao und R. Hamley (1992)) haben jedoch gezeigt, dass sich das Eisenhydrid FeH bei hohen Temperaturen und Drücken bilden kann und bei Drücken über 62 GPa stabil ist, was Tiefen entspricht ~1600 km. In dieser Hinsicht ist das Vorhandensein erheblicher Mengen (bis zu 40 Mol-%) Wasserstoff im Kern durchaus akzeptabel und reduziert seine Dichte auf Werte, die mit seismologischen Daten übereinstimmen.

Es kann vorhergesagt werden, dass neue Daten zu Strukturveränderungen in Mineralphasen in großen Tiefen es ermöglichen werden, eine angemessene Interpretation anderer wichtiger geophysikalischer Grenzen im Erdinneren zu finden. Die allgemeine Schlussfolgerung ist, dass an solchen globalen seismischen Grenzen wie 410 und 670 km erhebliche Veränderungen in der Mineralzusammensetzung von Mantelgesteinen auftreten. Mineralumwandlungen werden auch in Tiefen von ~850, 1200, 1700, 2000 und 2200–2300 km, also im unteren Erdmantel, beobachtet. Dies ist ein sehr wichtiger Umstand, der es uns ermöglicht, die Idee seiner homogenen Struktur aufzugeben.