ההרכב הכימי של המעטפת וליבה של כדור הארץ. קורלציה בין המושגים "קרום כדור הארץ", "ליתוספירה", "טקטונוספרה" הרכב המעטפת וליבה של כדור הארץ

המעטפת מכילה את רוב החומר של כדור הארץ. המעטפת מצויה גם בכוכבי לכת אחרים. מעטפת כדור הארץ נמצאת בטווח שבין 30 ל-2,900 ק"מ.

בגבולותיה, על פי נתונים סיסמיים, נבדלים הבאים: שכבת המעטפת העליונה בְּעד 400 ק"מ עומק ו מעד 800-1000 ק"מ (שכבת חוקרים מסויימת מנקרא המעטפת האמצעית); שכבת המעטפת התחתונה D לפניעומק 2700 עם שכבת מעבר ד1מ-2700 עד 2900 ק"מ.

הגבול בין הקרום למעטפת הוא הגבול המוהורוביץ', או בקיצור מוהו. יש עליה חדה במהירויות הסייסמיות - מ-7 ל-8-8.2 קמ"ש. גבול זה ממוקם בעומק של 7 (מתחת לאוקיאנוסים) עד 70 קילומטרים (מתחת לחגורות הקפל). מעטפת כדור הארץ מחולקת למעטפת העליונה ולמעטה התחתונה. הגבול בין הגיאוספרות הללו הוא שכבת גוליטסין, הנמצאת בעומק של כ-670 ק"מ.

מבנה כדור הארץ על פי חוקרים שונים

ההבדל בהרכב קרום כדור הארץ והמעטפת הוא תוצאה של מקורם: כדור הארץ ההומוגני בתחילה, כתוצאה מהתכה חלקית, חולק לחלק מתיך וקל - הקרום ולמעטה צפופה ועמידה.

מקורות מידע על המעטפת

מעטפת כדור הארץ אינה נגישה לחקירה ישירה: היא אינה מגיעה אל פני כדור הארץ ולא הגיעה אליה בקידוח עמוק. לכן, רוב המידע על המעטפת הושג בשיטות גיאוכימיות וגיאופיזיות. הנתונים על המבנה הגיאולוגי שלו מוגבלים מאוד.

המעטפת נחקרת על פי הנתונים הבאים:

נתונים גיאופיזיים. קודם כל, נתונים על מהירויות גל סיסמיות, מוליכות חשמלית וכוח המשיכה.
נמס המעטפת - בזלת, קומאטייטים, קימברליטים, למפרוטים, קרבונטיטים ועוד כמה סלעים אמיתיים נוצרים כתוצאה מהמסה חלקית של המעטפת. הרכב ההיתוך הוא תוצאה של הרכב הסלעים המומסים, האינטראניזם של ההיתוך והפרמטרים הפיזיקליים-כימיים של תהליך ההיתוך. באופן כללי, שחזור המקור מההמסה הוא משימה קשה.
שברי סלעי מעטפת הובאו אל פני השטח בהמסת מעטפת - קימברליטים, בזלת אלקליין וכו' אלו הם קסנוליטים, קסנוקריסטים ויהלומים. יהלומים תופסים מקום מיוחד בין מקורות המידע על המעטפת. ביהלומים נמצאים המינרלים העמוקים ביותר, שאולי מגיעים אפילו מהמעטפת התחתונה. במקרה זה, יהלומים אלה מייצגים את השברים העמוקים ביותר של כדור הארץ הזמינים למחקר ישיר.
סלעי מעטפת בהרכב קרום כדור הארץ. קומפלקסים כאלה מתאימים ביותר למעטפת, אך גם שונים ממנו. ההבדל החשוב ביותר הוא בעצם היותם בהרכב קרום כדור הארץ, שממנו נובע שהם נוצרו כתוצאה מתהליכים לא רגילים, ואולי אינם משקפים את המעטפת האופיינית. הם מתרחשים בהגדרות הגיאודינמיות הבאות:

היפרבאזיטים מסוג אלפיני הם חלקים מהמעטפת המוטבעים בקרום כדור הארץ כתוצאה מבניית הרים. הנפוץ ביותר בהרי האלפים, שמהם בא השם.
היפרבאזיטים אופיוליטים - פרדוטיטים בהרכב של קומפלקסים אופיוליטים - חלקים מהקרום האוקיאני העתיק.
פרידוטיטים בתהום הם השלכות של סלע מעטפת בקרקעית האוקיינוסים או בקעים.

למתחמים אלו יתרון שניתן לראות בהם קשרים גיאולוגיים בין סלעים שונים.

לאחרונה הוכרז כי מגלי ארצות יפנים מתכננים לנסות לקדוח בקרום האוקיינוס עד למעטפת. לשם כך נבנתה הספינה צ'יקיו. תחילת הקידוח מתוכננת לשנת 2007.

החיסרון העיקרי של המידע המתקבל משברים אלו הוא חוסר האפשרות לבסס קשרים גיאולוגיים בין סוגים שונים של סלעים. אלו חלקי פאזל. כפי שאמר הקלאסי, "קביעת הרכב המעטפת מקסנוליטים מזכירה ניסיונות לקבוע את המבנה הגיאולוגי של הרים מחלוקי הנחל שנהר הוציא מהם".

הרכב המעטפת

המעטפת מורכבת בעיקר מסלעים אולטרה-בסיסיים: פרידוטיטים, (לרזוליטים, הרצבורגיטים, וורליטים, פירוקסניטים), דוניטים ובמידה פחותה סלעים בסיסיים - אקלוגיטים.

כמו כן, בין סלעי המעטפת זוהו זנים נדירים של סלעים שאינם מצויים בקרום כדור הארץ. אלה הם פרדוטיטים פלגופיטים, גרוספידיטים וקרבונטיטים שונים.

תכולת היסודות העיקריים במעטפת כדור הארץ באחוזים מסה

אֵלֵמֶנט	ריכוז	תַחמוֹצֶת	ריכוז
	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
סְכוּם	99.7	סְכוּם	99.1

מבנה המעטפת

לתהליכים המתרחשים במעטפת יש את ההשפעה הישירה ביותר על קרום כדור הארץ ועל פני כדור הארץ, הם הגורמים לתנועת יבשות, געשיות, רעידות אדמה, בניית הרים והיווצרות מרבצי עפרות. ישנן עדויות הולכות וגדלות לכך שהמעטפת עצמה מושפעת באופן פעיל מהליבה המתכתית של הפלנטה.

הסעה ופלומים

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

פושצ'רובסקי D.Yu., Pushcharovsky Yu.M.הרכב ומבנה מעטפת כדור הארץ // Soros Educational Journal, 1998, No 11, p. 111–119.
קובטון א.א.מוליכות חשמלית של כדור הארץ // Soros Educational Journal, 1997, No 10, p. 111–117

מָקוֹר: קורונובסקי N.V., Yakushova A.F. "יסודות הגיאולוגיה", מ', 1991

קישורים

תמונות של קרום כדור הארץ והמעטפת העליונה // תוכנית המתאם הגיאולוגי הבינלאומי (IGCP), פרויקט 474

אַטמוֹספֵרָה
ביוספירה

כוכב הלכת עליו אנו חיים הוא השלישי מהשמש, עם לוויין טבעי - הירח.

כוכב הלכת שלנו מאופיין במבנה שכבות. הוא מורכב ממעטפת סיליקט מוצקה - קרום כדור הארץ, מעטפת וליבה מתכת, מוצק בפנים, נוזל בחוץ.

אזור הגבול (משטח מוהו) מפריד בין קרום כדור הארץ למעטפת. זה קיבל את שמו לכבוד הסיסמולוג היוגוסלבי א' מוהורוביץ', שחקר את רעידות האדמה הבלקן, ביסס את נוכחותה של הבחנה זו. אזור זה נקרא הגבול התחתון של קרום הגלובוס.

השכבה הבאה היא מעטפת כדור הארץ

בואו נכיר אותו. מעטפת כדור הארץ היא שבר שנמצא מתחת לקרום וכמעט מגיע לליבה. במילים אחרות, זהו צעיף המכסה את "לב" כדור הארץ. זהו המרכיב העיקרי של הגלובוס.

הוא מורכב מסלעים, שמבנהם כולל סיליקטים של ברזל, סידן, מגנזיום וכו'. באופן כללי, מדענים מאמינים שתכולתו הפנימית דומה בהרכבה למטאוריטים מאבן (כונדריטים). במידה רבה יותר, מעטפת כדור הארץ כוללת יסודות כימיים הנמצאים בצורה מוצקה או בתרכובות כימיות מוצקות: ברזל, חמצן, מגנזיום, סיליקון, סידן, תחמוצות, אשלגן, נתרן וכו'.

זה מעולם לא נראתה בעין האנושית, אבל, על פי מדענים, זה דורש רובנפח כדור הארץ, כ-83%, מסתו - כמעט 70% מכדור הארץ.

וגם יש הנחה שלכיוון ליבת כדור הארץ, הלחץ עולה, והטמפרטורה מגיעה למקסימום.

כתוצאה מכך, הטמפרטורה של מעטפת כדור הארץ נמדדת ביותר מאלף מעלות. בנסיבות כאלה, נראה שחומר המעטפת צריך להימס או להפוך למצב גזי, אבל תהליך זה נעצר בלחץ חזק.

לכן, מעטפת כדור הארץ נמצאת במצב גבישי-מוצק. למרות שחם.

מהו מבנה מעטפת כדור הארץ?

ניתן לאפיין את הגיאוספרה בנוכחות שלוש שכבות. זוהי המעטפת העליונה של כדור הארץ, ואחריה האסתנוספירה, והסדרה סגורה במעטפת התחתונה.

המעטפת מורכבת ממעטפת עליונה ותחתונה, הראשונה משתרעת ברוחב בין 800 ל-900 ק"מ, השנייה ברוחב של 2,000 ק"מ. העובי הכולל של מעטפת כדור הארץ (שתי השכבות) הוא כשלושת אלפים קילומטרים.

השבר החיצוני ממוקם מתחת לקרום כדור הארץ ונכנס לליתוספירה, התחתון מורכב מהאסתנוספרה ומשכבת גוליצין, המאופיינת בעלייה במהירויות הגלים הסיסמיים.

על פי ההשערה של מדענים, המעטפת העליונה נוצרת על ידי סלעים חזקים, ולכן היא מוצקה. אבל על קטע מ-50 עד 250 קילומטרים מפני השטח של קרום כדור הארץ, ישנה שכבה נמסה לא מלאה - האסתנוספירה. החומר בחלק זה של המעטפת דומה למצב אמורפי או מותך למחצה.

לשכבה זו מבנה פלסטלינה רך, שלאורכו נעות השכבות הקשות שלמעלה. בקשר לתכונה זו, לחלק זה של המעטפת יש יכולת לזרום לאט מאוד, בכמה עשרות מילימטרים בשנה. למרות זאת, זהו תהליך מוחשי ביותר על רקע תנועת קרום כדור הארץ.

לתהליכים המתרחשים בתוך המעטפת יש השפעה והשפעה ישירה על קרום הגלובוס, כתוצאה מכך מתרחשת תנועת יבשות, בניית הרים, והאנושות מתמודדת עם כאלה. תופעת טבעכמו געש, רעידות אדמה.

ליתוספרה

החלק העליון של המעטפת, הממוקם על האסתנוספרה החמה, במקביל לקרום כדור הארץ של הפלנטה שלנו יוצר גוף חזק - הליתוספירה. תורגם מ יווני- אבן. הוא אינו מוצק, אלא מורכב מלוחות ליטוספריים.

מספרם הוא שלוש עשרה, אם כי אינו נשאר קבוע. הם נעים לאט מאוד, עד שישה סנטימטרים בשנה.

התנועות הרב-כיווניות המשולבות שלהם, המלוות בתקלות עם היווצרות חריצים בקרום כדור הארץ, נקראות טקטוניות.

תהליך זה מופעל על ידי הגירה מתמדת של מרכיבי המעטפת.

לכן, הרעידות הנ"ל מתרחשות, יש הרי געש, שקעים במים עמוקים, רכסים.

מגמטיזם

ניתן לתאר פעולה זו כתהליך קשה. שיגורו מתרחש עקב תנועות המאגמה, שיש לה חדרים נפרדים הממוקמים בשכבות שונות של האסתנוספירה.

בשל תהליך זה, אנו יכולים לצפות בהתפרצות של מאגמה על פני כדור הארץ. אלו הרי געש ידועים.

שאלה מס' 5

מעטפת וליבה של כדור הארץ. מבנה, כוח, מצב פיזי והרכב. קורלציה של המושגים "קרום כדור הארץ", "ליתוספירה", "טקטונוספרה".

מַעֲטֶה:

מתחת לקרום כדור הארץ נמצאת השכבה הבאה, הנקראת מַעֲטֶה.הוא מקיף את ליבת כוכב הלכת ועוביו כמעט שלושת אלפים קילומטרים. מבנה מעטפת כדור הארץ מורכב מאוד, ולכן דורש מחקר מפורט.

שמה של קליפה זו (גיאוספרה) מגיע מהמילה היוונית לגלימה או רעלה. במציאות, מַעֲטֶהכמו צעיף עוטף את הליבה. הוא מהווה כ-2/3 ממסת כדור הארץ וכ-83% מנפחו.

טמפרטורת הקליפה אינה עולה על 2500 מעלות צלזיוס. מורכב מַעֲטֶהמחומרים גבישיים מוצקים (מינרלים כבדים העשירים בברזל ומגנזיום). היוצא מן הכלל היחיד הוא אסתנוספרה,שנמצא במצב חצי מותך.

מבנה מעטפת כדור הארץ:

הגיאוספרה מורכבת מהחלקים הבאים:

מעטפת עליונה, עובי 800-900 ק"מ;

· אסתנוספרה;

עובי המעטפת התחתונה הוא כ-2000 ק"מ.

מעטה עליונה:

חלק מהקונכייה, שנמצא מתחת לקרום כדור הארץ ונכנס לליתוספירה. בתורו, הוא מחולק לאסתנוספרה ושכבת גוליטסין, המאופיינת בעלייה אינטנסיבית במהירויות הגלים הסיסמיים. מרכיב מוצק זה של המעטפת, יחד עם קרום כדור הארץ, יוצרים מעין קליפה נוקשה של כדור הארץ, נקרא הליתוספירה .

חלק זה של מעטפת כדור הארץ משפיע על תהליכים כמו תנועות טקטוניות הלוחות, מטמורפיזם ומגמטיזם. ראוי לציין שהמבנה שלו שונה בהתאם לאיזה עצם טקטוני הוא ממוקם.

אסתנוספרה:

שמה של השכבה האמצעית של הקליפה מתורגם מיוונית כ"כדור חלש". הגיאוספרה, המיוחסת לחלק העליון של המעטפת, ולעתים מבודדת כשכבה נפרדת, מאופיינת בקשיות, חוזק וצמיגות מופחתים.

הגבול העליון של האסתנוספירה נמצא תמיד מתחת לקו הקיצוני של קרום כדור הארץ: מתחת ליבשות - בעומק של 100 ק"מ, מתחת לקרקעית הים - 50 ק"מ.

הקו התחתון שלו ממוקם בעומק של 250-300 ק"מ.

אסתנוספרה הוא המקור העיקרי למאגמה על הפלנטה, ותנועת החומר האמורפי והפלסטי נחשבת לגורם לתנועות טקטוניות במישורים האופקיים והאנכיים, למגמטיזם ולמטמורפיזם של קרום כדור הארץ.

מעטה תחתונה:

מדענים יודעים מעט על החלק התחתון של המעטפת. הוא האמין כי שכבה מיוחדת D, הדומה לאסטנוספירה, ממוקמת בגבול עם הליבה. הוא מאופיין בטמפרטורה גבוהה (בשל הקרבה של הליבה האדומה-לוהטת) ואי-הומוגניות של החומר. הרכב המסה כולל ברזל וניקל.

מתחת לשכבה הנמוכה ביותר של המעטפת, בעומק של כ-2900 ק"מ, ישנו אזור גבול נוסף בו גלים סיסמיים משנים באופן דרמטי את אופי התפשטותם. גלים סיסמיים רוחביים אינם מתפשטים כאן כלל, מה שמעיד על שינוי בהרכב האיכותי של החומר היוצר את שכבת הגבול.

הנה הגבול בין המעטפת לליבה של כדור הארץ.

הרכב המעטפת:

הגיאוספרה נוצרת אוליבין וסלעים אולטרה-בסיסיים (פרידוטיטים, פרוסקיטים, דוניטים), אך קיימים גם סלעים בסיסיים (אקלוגיטים). הוכח כי הקונכייה מכילה זנים נדירים שאינם מצויים בקרום כדור הארץ (גרוספידיטים, פלוגופיט פרידוטיטים, קרבונטיטים).

אם לדבר על תרכובת כימית , אז המעטפת מכילה בריכוזים שונים: חמצן, מגנזיום, סיליקון, ברזל, אלומיניום, סידן, נתרן ואשלגן, וכן תחמוצות שלהם.

כּוֹחַ:

עובי מעטפת כדור הארץ הוא: 2800 ק"מ.

גַרעִין:

קיומה של הליבה של הפלנטה שלנו התגלה עוד בשנת 1936, עד כה מעט ידוע על הרכבו ומבנהו.

עומק - 2900 ק"מ. הרדיוס הממוצע של הכדור הוא 3500 ק"מ.

הטמפרטורה על פני הליבה המוצקה של כדור הארץ מגיעה ככל הנראה ל-5960 ± 500 מעלות צלזיוס, במרכז הליבה הצפיפות יכולה להיות כ-12.5 t/m³, הלחץ הוא עד 3.7 מיליון אטמוספירה. מסת הליבה היא 1.932 1024 ק"ג.

בהחלט ייתכן שהחומרים המרכיבים את האזורים המרכזיים של הליבה אינם עוברים למצב נוזלי, ומתגבשים אפילו בטמפרטורות ענקיות. הוא האמין כי עיקר ליבת כדור הארץ מיוצג על ידי ברזל או סגסוגות ברזל ניקל, שכמותם במסה הכוללת של הליבה יכולה להגיע לשליש.

מבנה ליבת כדור הארץ:

על פי רעיונות מודרניים על מבנה ליבת כדור הארץ, נבדלים מרכיביו החיצוניים והפנימיים.

ליבה חיצונית

ליבה פנימית

ליבה חיצונית:

השכבה הראשונה של הליבה שנמצאת במגע ישיר עם המעטפת היא ליבה חיצונית.גבולו העליון נמצא בעומק של 2.3 אלף ק"מ מתחת לפני הים, והתחתון נמצא בעומק של 2900 ק"מ.

ליבה חיצוניתהוא נוזלי, מכיל כמות גדולה של ברזל ונמצא בתנועה מתמשכת.

ליבה חיצוניתמחמם את המעטפת - ובמקומות מסוימים עד כדי כך שזרימות מאגמה עולות אפילו מגיעות לפני השטח וגורמות להתפרצויות געשיות.

קיומו של שדה מגנטימסביב לכדור הארץ. שדה מגנטי נוצר סביב מוליך נושא זרם, ומכיוון ששכבת הנוזל המכילה ברזל של הליבה היא מוליך ונעה כל הזמן, התרחשות של חשמל רב עוצמה זורם בה מובנת למדי.

זרם זה יוצר את השדה המגנטי של הפלנטה שלנו.

כּוֹחַ:

עוצמת הליבה החיצונית של כדור הארץ היא: 2220 ק"מ.

בעומק של קצת יותר מ-5000 ק"מ, הגבול בין הליבה הנוזלית (החיצונית) והמוצקה (הפנימית) נמשך.

ליבה פנימית:

בתוך הקליפה הנוזלית נמצאת ליבה פנימית. זוהי הליבה המוצקה של כדור הארץ, שקוטרה 1220 קילומטרים.

חלק זה של הליבה צפוף מאוד - הריכוז הממוצע של החומר מגיע ל-12.8-13 גרם / סמ"ק, שהם פי שניים מצפיפות הברזל, וחם - הליבון מגיע ל-5-6 אלף מעלות צלזיוס המפורסמות.

לפי ההשערה הקיימת, השלב המוצק של החומר בו נשמר עקב טמפרטורות ולחץ עצומים. בנוסף לברזל, הליבה עשויה להכיל יסודות קלים יותר - סיליקון, גופרית, חמצן, מימן וכו'.

קיימת השערה בקרב מדענים שבהשפעת לחצים אדירים, החומרים הללו, שאינם מתכות מטבעם, מסוגלים לבצע מתכת. בהחלט ייתכן שאפילו מימן מתכתי נמצא בליבה המוצקה של הפלנטה שלנו.

כּוֹחַ:

עוצמת הליבה הפנימית של כדור הארץ היא: 1250 ק"מ.

קורלציה של המושגים "קרום כדור הארץ", "ליתוספירה", "טקטונוספרה".

קרום כדור הארץ	ליתוספרה	טקטונוספרה
המעטפת הקשה החיצונית של הפלנטה שלנו.	קונכיית האבן העליונה של כדור הארץ, כולל קרום כדור הארץ והמעטפת העל-תנוספרית.	הגיאוספרה של כדור הארץ, הכוללת את הליתוספירה ושכבה בעלת צמיגות נמוכה, האסתנוספירה.
קרום יבשתי בעל עובי של 35-45 ק"מ, באזורים הרריים עד 80 ק"מ. הקרום היבשתי מחולק לשכבות: שכבת משקע; · שכבת גרניט; · שכבת בזלת. קרום אוקיינוסי בעל עובי של 5-10 ק"מ. קרום אוקיינוס מחולק ל-3 שכבות: · שכבת משקעים ימיים; השכבה האמצעית או ה"שנייה"; · השכבה הנמוכה ביותר או "אוקיינוס". יש גם סוג מעבר של קרום כדור הארץ.	במבנה הליתוספירה מבחינים באזורים ניידים (חגורות מקופלות) ובמות יציבות יחסית. החלק העליון של הליתוספירה גובל באטמוספירה ובהידרוספרה. הגבול התחתון של הליתוספירה ממוקם מעל האסתנוספרה - שכבה של קשיות, חוזק וצמיגות מופחתים במעטפת העליונה של כדור הארץ.	במובן הגיאולוגי, על פי הרכב החומר, ניתן לאתר את הטקטונוספרה לעומק של 400 ק"מ, אך במובן הפיזי, הריאולוגי, היא מחולקת ל ליתוספירה ואסתנוספירה, והליתוספירה כוללת, בנוסף לקרום, חלק מהמעטפת העליונה.

יש לו הרכב מיוחד, השונה מהרכב קרום כדור הארץ המכסה אותו. נתונים על ההרכב הכימי של המעטפת התקבלו מניתוחים של סלעי הבקעה העמוקים ביותר שנכנסו לאופק העליון של כדור הארץ כתוצאה מהתרוממות טקטוניות עוצמתיות עם הסרת חומר המעטפת. סלעים אלו כוללים סלעים אולטרה-בסיסיים - דוניטים, פרידוטיטים המופיעים במערכות הרריות. סלעיםהאיים של סנט פול בחלק האמצעי של האוקיינוס האטלנטי, על פי כל הנתונים הגיאולוגיים, שייכים לחומר המעטפת. חומר המעטפת כולל גם שברי סלע שנאספו על ידי משלחות אוקיאנוגרפיות סובייטיות מקרקעית האוקיינוס ההודי באזור רכס האוקיינוס ההודי. בכל הנוגע להרכב המינרלוגי של המעטפת, ניתן לצפות כאן לשינויים משמעותיים, החל מהאופקים העליונים וכלה בבסיס המעטפת, עקב עלייה בלחץ. המעטפת העליונה מורכבת בעיקר מסיליקטים (אוליבינים, פירוקסנים, גרנטים), שהם יציבים ובלחצים נמוכים יחסית. המעטפת התחתונה מורכבת ממינרלים בצפיפות גבוהה.

המרכיב הנפוץ ביותר של המעטפת הוא תחמוצת סיליקון בהרכב הסיליקטים. אבל בלחצים גבוהים, סיליקה יכולה להיכנס לשינוי פולימורפי צפוף יותר - סטישוביט. מינרל זה הושג על ידי החוקר הסובייטי שטישוב ונקרא על שמו. אם לקוורץ רגיל יש צפיפות של 2.533 r/cm 3, אז לסטישוביט, שנוצר מקוורץ בלחץ של 150,000 בר, יש צפיפות של 4.25 גרם/cm 3.

בנוסף, סביר להניח גם שינויים מינרלים צפופים יותר של תרכובות אחרות במעטפת התחתונה. בהתבסס על האמור לעיל, ניתן לשער באופן סביר שעם הלחץ הגובר, הסיליקטים הרגילים של ברזל-מגנזיאן של אוליבינים ופירוקסנים מתפרקים לתחמוצות, אשר בנפרד יש להן צפיפות גבוהה יותר מאשר סיליקטים, המתגלים כיציבים במעטפת העליונה.

המעטפת העליונה מורכבת בעיקר מסיליקטים פרוגיניים-מגנזיים (אוליבינים, פירוקסנים). חלק מאלומיסיליקטים יכולים להפוך כאן למינרלים צפופים יותר כמו נופך. מתחת ליבשות והאוקיינוסים, למעטפת העליונה יש תכונות שונות וכנראה הרכב שונה. אפשר רק להניח שבאזור היבשות המעטפת מובחנת יותר ויש בה פחות SiO 2 בגלל הריכוז של רכיב זה בקרום האלומינוזיליקט. מתחת לאוקיינוסים, המעטפת פחות מובחנת. במעטפת העליונה, יכולים להתרחש שינויים פולימורפיים צפופים יותר של אוליבין עם מבנה ספינל וכו'.

שכבת המעבר של המעטפת מאופיינת בעלייה מתמדת במהירויות גל סיסמיות עם עומק, מה שמעיד על הופעת שינויים פולימורפיים צפופים יותר של החומר. כאן, ברור, תחמוצות FeO, MgO, GaO, SiO 2 מופיעות בצורה של ווסטייט, פריקלאז, סיד וסטישוביט. מספרם גדל עם העומק, בעוד שכמות הסיליקטים הרגילים פוחתת, ומתחת ל-1000 ק"מ הם מהווים חלק לא משמעותי.

המעטפת התחתונה בעומקים של 1000-2900 ק"מ מורכבת כמעט לחלוטין מזנים צפופים של מינרלים - תחמוצות, כפי שמעידה בצפיפותו הגבוהה בטווח של 4.08-5.7 גרם/ס"מ 3 . בהשפעת לחץ מוגבר, תחמוצות צפופות נדחסות, מה שמגדיל עוד יותר את צפיפותן. גם תכולת הברזל עולה כנראה במעטפת התחתונה.

ליבת כדור הארץ. שאלת ההרכב ו טבע פיזיהליבה של הפלנטה שלנו היא אחת הבעיות המרגשות והמסתוריות ביותר של גיאופיזיקה וגיאוכימיה. רק לאחרונה חלה הארה קטנה בפתרון הבעיה הזו.

הליבה המרכזית העצומה של כדור הארץ, אשר תופסת את האזור הפנימי העמוק יותר מ-2900 ק"מ, מורכבת מליבה חיצונית גדולה ואחת פנימית קטנה. על פי נתונים סייסמיים, לליבה החיצונית יש תכונות של נוזל. הוא אינו משדר גלים סיסמיים רוחביים. היעדר כוחות מלוכדים בין הליבה למעטפת התחתון, אופי הגאות והשפל במעטפת ובקרום, המוזרויות של תנועת ציר הסיבוב של כדור הארץ בחלל, אופי המעבר של גלים סיסמיים בעומק של 2900 ק"מ מצביעים על כך. שהליבה החיצונית של כדור הארץ היא נוזלית.

כמה מחברים הניחו שהרכב הליבה עבור מודל הומוגני מבחינה כימית של כדור הארץ הוא סיליקט, ובהשפעת לחץ גבוה, הסיליקטים עברו למצב "מתכתי", ורכשו מבנה אטומי שבו האלקטרונים החיצוניים נפוצים. עם זאת, הנתונים הגיאופיזיים המפורטים לעיל סותרים את ההנחה של מצב "מתכתי" של חומר הסיליקט בליבת כדור הארץ. בפרט, היעדר לכידות בין הליבה למעטפת אינו יכול להיות תואם לליבה מוצקה "מתכתית", אשר הונחה בהשערת לודוצ'ניקוב-רמזי. נתונים עקיפים חשובים מאוד על ליבת כדור הארץ התקבלו במהלך ניסויים עם סיליקטים בלחץ גבוה. במקרה זה, הלחץ הגיע ל-5 מיליון atm. בינתיים, במרכז כדור הארץ, הלחץ הוא 3 מיליון אטמ', ובגבול הליבה - כמיליון אטמוספירה. כך, בניסוי, ניתן היה לחסום את הלחצים הקיימים במעמקי כדור הארץ. במקרה זה, עבור סיליקטים, נצפתה רק דחיסה ליניארית ללא קפיצה ומעבר למצב "מתכתי". בנוסף, בלחצים גבוהים ובעומקים של 2900-6370 ק"מ, סיליקטים אינם יכולים להיות במצב נוזלי, כמו תחמוצות. נקודת ההיתוך שלהם עולה עם הלחץ הגובר.

לְכָל השנים האחרונותהתקבלו תוצאות מחקר מעניינות מאוד על השפעת לחצים גבוהים מאוד על נקודת ההתכה של מתכות. התברר שמספר מתכות בלחצים גבוהים (300,000 אטמוספירה ומעלה) נכנסות למצב נוזלי בטמפרטורות נמוכות יחסית. לפי כמה חישובים, סגסוגת של ברזל עם תערובת של ניקל וסיליקון (76% Fe, 10% Ni, 14% Si) בעומק של 2900 ק"מ בהשפעת לחץ גבוה צריכה להיות במצב נוזלי כבר ב- טמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס. אבל הטמפרטורה בעומקים אלה, על פי ההערכות השמרניות ביותר של גיאופיזיקאים, היא צריכה להיות הרבה יותר גבוהה.

לכן, לאור נתוני הגיאופיזיקה המודרנית ופיזיקת הלחץ הגבוה, כמו גם נתוני קוסמוךכימיה המצביעים על תפקידו המוביל של הברזל כמתכת הנפוצה ביותר בחלל, יש להניח כי ליבת כדור הארץ מורכבת בעיקר מברזל נוזלי עם תערובת של ניקל. עם זאת, חישוביו של הגיאופיזיקאי האמריקאי F. Birch הראו שצפיפות ליבת כדור הארץ נמוכה ב-10% מזו של סגסוגת ברזל ניקל בטמפרטורות ולחצים השוררים בליבה. מכאן נובע שהליבה המתכתית של כדור הארץ חייבת להכיל כמות משמעותית (10-20%) של ריאה כלשהי. מכל היסודות הקלים והנפוצים ביותר, סיליקון (Si) וגופרית (S) הם הסבירים ביותר | הנוכחות של זה או אחר יכולה להסביר את התכונות הפיזיקליות הנצפות של ליבת כדור הארץ. לכן, השאלה מהי תערובת של ליבת כדור הארץ - סיליקון או גופרית, מתבררת כשנויה במחלוקת וקשורה לאופן היווצרות כוכב הלכת שלנו בפועל.

א. רידג'ווד בשנת 1958 הניח שליבת כדור הארץ מכילה סיליקון כיסוד קל, וטען הנחה זו בעובדה שסיליקון יסודי בכמות של כמה אחוזי משקל נמצא בשלב המתכת של כמה מטאוריטים כונדריט מופחתים (אנסטטיט). עם זאת, אין טיעונים אחרים בעד נוכחות הסיליקון בליבת כדור הארץ.

ההנחה שיש גופרית בליבת כדור הארץ נובעת מהשוואה של תפוצתה בחומר הכונדריט של מטאוריטים ובמעטפת כדור הארץ. לפיכך, השוואה של היחסים האטומיים היסודיים של כמה יסודות נדיפים בתערובת של הקרום והמעטפת ובכונדריטים מראה חוסר חד בגופרית. בחומר המעטפת והקרום, ריכוז הגופרית נמוך בשלושה סדרי גודל מאשר בחומר הממוצע. מערכת השמש, שעבורם לוקחים כונדריטים.

האפשרות לאובדן של גופרית בטמפרטורות הגבוהות של כדור הארץ הפרימיטיבי מתבטלת, מכיוון שאלמנטים נדיפים יותר מגופרית (לדוגמה, H2 בצורת H2O), שנמצאו חסרים הרבה פחות, יאבדו לרמה הרבה יותר גדולה. היקף. בנוסף, כאשר גז סולארי מתקרר, גופרית נקשרת כימית עם ברזל ומפסיקה להיות יסוד נדיף.

בהקשר זה, בהחלט ייתכן שכמויות גדולות של גופרית נכנסות לליבה של כדור הארץ. יש לציין שבשאר הדברים שווים, נקודת ההיתוך של מערכת Fe-FeS נמוכה בהרבה מנקודת ההיתוך של ברזל או סיליקט מעטפת. אז, בלחץ של 60 kbar, נקודת ההיתוך של המערכת (אוטקטית) Fe-FeS תהיה 990 מעלות צלזיוס, בעוד ברזל טהור - 1610 מעלות, ופירוליט המעטפת - 1310. לכן, עם עלייה בטמפרטורה במעיים של כדור הארץ ההומוגני בתחילה, תיווצר תחילה נמס ברזל מועשר בגופרית, ובשל צמיגותו הנמוכה וצפיפותו הגבוהה, יתנקז בקלות לחלקים המרכזיים של כדור הארץ, וייצור ליבה ברזית-גופרית. לפיכך, הנוכחות של גופרית בסביבת הניקל-ברזל פועלת כשטף, המוריד את נקודת ההיתוך שלו בכללותה. ההשערה של נוכחות כמויות משמעותיות של גופרית בליבת כדור הארץ היא מאוד אטרקטיבית ואינה סותרת את כל הנתונים הידועים של גיאוכימיה וקוסמוכימיה.

לפיכך, רעיונות מודרניים על אופי פנים כוכב הלכת שלנו תואמים לכדור מובחן כימית, שהתברר כמחולק לשני חלקים שונים: מעטה מוצק תחמוצת סיליקט עוצמתי וליבה נוזלית, בעיקר מתכתית. קרום כדור הארץ הוא הקליפה המוצקה העליונה הקלה ביותר, המורכבת מאלומינוסיליקטים ובעלת המבנה המורכב ביותר.

לסיכום האמור לעיל, נוכל להסיק את המסקנות הבאות.

לכדור הארץ יש מבנה אזורי שכבות. הוא מורכב משני שליש מקליפה מוצקה של תחמוצת סיליקט - המעטפת ושליש מליבת נוזל מתכתי.
המאפיינים העיקריים של כדור הארץ מצביעים על כך שהליבה נמצאת במצב נוזלי ורק ברזל מהמתכות הנפוצות ביותר עם תערובת של כמה יסודות קלים (ככל הנראה גופרית) מסוגל לספק את התכונות הללו.
באופקיו העליונים, לכדור הארץ יש מבנה א-סימטרי, המכסה את הקרום ואת המעטפת העליונה. חצי הכדור האוקיאני בתוך המעטפת העליונה מובחן פחות מהמיספרה היבשתית הנגדי.

המשימה של כל תיאוריה קוסמוגונית על מקור כדור הארץ היא להסביר את התכונות העיקריות הללו שלו טבע פנימיוהרכב.

מעטפת כדור הארץ -זוהי קליפת סיליקט של כדור הארץ, המורכבת בעיקר מפרידוטיטים - סלעים המורכבים מסיליקטים של מגנזיום, ברזל, סידן וכו'. התכה חלקית של סלעי המעטפת גורמת להמסות בזלת ודומותיה, היוצרות את קרום כדור הארץ בעת העלייה לפני השטח. .

המעטפת מהווה 67% מהמסה הכוללת של כדור הארץ וכ-83% מהנפח הכולל של כדור הארץ. הוא משתרע מעומקים של 5-70 ק"מ מתחת לגבול עם קרום כדור הארץ, ועד לגבול עם הליבה בעומק של 2900 ק"מ. המעטפת ממוקמת בטווח עצום של עומקים, ועם הלחץ הגובר בחומר מתרחשים מעברי פאזה, שבהם מינרלים מקבלים מבנה צפוף יותר ויותר. השינוי המשמעותי ביותר מתרחש בעומק של 660 קילומטרים. התרמודינמיקה של מעבר פאזה זה היא כזו שחומר המעטפת מתחת לגבול זה אינו יכול לחדור אליו, ולהיפך. מעל הגבול של 660 קילומטרים נמצאת המעטפת העליונה, ומתחת, בהתאמה, התחתונה. לשני חלקים אלו של המעטפת יש הרכב ותכונות פיזיקליות שונות. למרות שהמידע על הרכב המעטפת התחתונה מוגבל, ומספר הנתונים הישירים קטן מאוד, ניתן לקבוע בביטחון שהרכבו השתנה הרבה פחות מאז היווצרות כדור הארץ מאשר המעטפת העליונה, מה שהוליד את קרום כדור הארץ.

העברת חום במעטפת מתרחשת בהסעה איטית, באמצעות דפורמציה פלסטית של מינרלים. קצבי התנועה של החומר במהלך הסעת המעטפת הם בסדר גודל של כמה סנטימטרים בשנה. הסעה זו מניעה את הלוחות הליטוספריים. הסעה במעטפת העליונה מתרחשת בנפרד. ישנם מודלים המניחים מבנה מורכב עוד יותר של הסעה.

מודל סיסמי של מבנה כדור הארץ

ההרכב והמבנה של הקליפות העמוקות של כדור הארץ בעשורים האחרונים ממשיכים להיות אחת הבעיות המסקרנות ביותר של הגיאולוגיה המודרנית. מספר הנתונים הישירים בעניין של אזורים עמוקים מוגבל מאוד. בהקשר זה, אגרגט מינרלים מצינור הקימברליט של לסוטו (דרום אפריקה) תופס מקום מיוחד, הנחשב כמייצג של סלעי מעטפת המתרחשים בעומק של ~250 ק"מ. הליבה שהתאוששה מהבאר העמוקה ביותר בעולם, שנקדחה בחצי האי קולה והגיעה ל-12,262 מ', הרחיבה משמעותית את ההבנה המדעית של האופקים העמוקים של קרום כדור הארץ - סרט דק קרוב לפני השטח של כדור הארץ. יחד עם זאת, הנתונים העדכניים ביותר של גיאופיזיקה וניסויים הקשורים לחקר טרנספורמציות מבניות של מינרלים מאפשרים כבר כעת ליצור מודלים של מאפיינים רבים של המבנה, ההרכב והתהליכים המתרחשים במעמקי כדור הארץ, שהידע בהם תורם לפתרון של בעיות מפתח של מדעי הטבע המודרניים כמו היווצרות והתפתחות כדור הארץ, דינמיקה של קרום כדור הארץ ומעטפת כדור הארץ, מקורות משאבים מינרליים, הערכת סיכונים של סילוק פסולת מסוכנת בעומקים גדולים, משאבי אנרגיה של כדור הארץ וכו'.

המודל הידוע ביותר של המבנה הפנימי של כדור הארץ (חלוקתו לליבה, מעטפת וקרום כדור הארץ) פותח על ידי הסיסמולוגים ג'י ג'פריס וב' גוטנברג במחצית הראשונה של המאה ה-20. הגורם המכריע בכך היה גילוי של ירידה חדה במהירות של גלים סיסמיים בתוך הגלובוס בעומק של 2900 ק"מ עם רדיוס של כוכב הלכת של 6371 ק"מ. מהירות ההתפשטות של גלים סיסמיים אורכיים ישירות מעל הגבול שצוין היא 13.6 ק"מ לשנייה, ומתחתיו - 8.1 ק"מ לשנייה. זהו הגבול בין המעטפת לליבה.

בהתאם, רדיוס הליבה הוא 3471 ק"מ. הגבול העליון של המעטפת הוא הקטע הסייסמי של מוהורוביץ' (Moho, M), שזוהה על ידי הסיסמולוג היוגוסלבי א. מוהורוביץ' (1857-1936) עוד ב-1909. הוא מפריד בין קרום כדור הארץ למעטפת. בגבול זה, המהירויות של גלים אורכיים שעברו בקרום כדור הארץ גדלות בפתאומיות מ-6.7-7.6 ל-7.9-8.2 קמ"ש, אך זה קורה ברמות עומק שונות. מתחת ליבשות, עומק הקטע M (כלומר, סוליות קרום כדור הארץ) הוא כמה עשרות קילומטרים, ומתחת לכמה מבני הרים (פמיר, האנדים) הוא יכול להגיע ל-60 ק"מ, בעוד שמתחת לאגני האוקיינוס, כולל עמוד המים, העומק הוא רק 10-12 ק"מ. באופן כללי, קרום כדור הארץ בסכימה זו מופיע כקליפה דקה, בעוד שהמעטפת משתרעת לעומקה עד 45% מרדיוס כדור הארץ.

אבל באמצע המאה ה-20, רעיונות על מבנה עמוק יותר חלקי של כדור הארץ נכנסו למדע. בהתבסס על נתונים סייסמולוגיים חדשים, ניתן היה לחלק את הליבה לפנימי וחיצוני, ואת המעטפת לתחתון ולעליון. הדגם הפופולרי הזה עדיין בשימוש היום. הוא התחיל על ידי הסיסמולוג האוסטרלי K.E. בולן, שהציע בתחילת שנות ה-40 תוכנית לחלוקת כדור הארץ לאזורים, שאותם ציין באותיות: A - קרום כדור הארץ, B - אזור במרווח עומק של 33-413 ק"מ, C - אזור של 413- 984 ק"מ, D - אזור של 984-2898 ק"מ, D - 2898-4982 ק"מ, F - 4982-5121 ק"מ, G - 5121-6371 ק"מ (מרכז כדור הארץ). אזורים אלה שונים במאפיינים סיסמיים. מאוחר יותר חילק את אזור D לאזורים D "(984-2700 ק"מ) ו-D" (2700-2900 ק"מ). נכון לעכשיו, סכימה זו שונתה באופן משמעותי, ורק שכבת D נמצא בשימוש נרחב בספרות. המאפיין העיקרי שלה הוא ירידה בשיפוע המהירות הסייסמי בהשוואה לאזור המעטפת שמעל.

הליבה הפנימית, בעלת רדיוס של 1225 ק"מ, היא מוצקה ובעלת צפיפות גבוהה - 12.5 גרם/ס"מ 3 . הליבה החיצונית נוזלית, הצפיפות שלה היא 10 גרם/ס"מ 3 . בגבול בין הליבה למעטפת, יש קפיצה חדה לא רק במהירות הגלים האורכיים, אלא גם בצפיפות. במעטפת הוא יורד ל-5.5 גרם/ס"מ 3 . שכבה D", שנמצאת במגע ישיר עם הליבה החיצונית, מושפעת ממנה, שכן הטמפרטורות בליבה עולות משמעותית על טמפרטורות המעטפת. במקומות מסוימים, שכבה זו יוצרת חום עצום וזרמי מסה המופנים אל פני כדור הארץ. דרך המעטפת חום וזרמי מסה, הנקראים פלומות.הם יכולים להתבטא על הפלנטה בצורה של אזורים געשיים גדולים, כמו באיי הוואי, איסלנד ואזורים אחרים.

הגבול העליון של שכבת D" אינו מוגדר; רמתו מפני השטח של הליבה יכולה לנוע בין 200 ל-500 ק"מ או יותר. לפיכך, ניתן להסיק ששכבה זו משקפת זרימה לא אחידה ומשתנה של אנרגיית הליבה לתוך אזור המעטפת.

הגבול של המעטפת התחתונה והעליונה בתכנית הנבדקת הוא הקטע הסייסמי השוכן בעומק של 670 ק"מ. יש לו תפוצה גלובלית והוא מוצדק על ידי קפיצה במהירויות הסיסמיות לקראת עלייתן, כמו גם עלייה בצפיפות של חומר המעטפת התחתון. קטע זה הוא גם גבול השינויים בהרכב המינרלים של סלעים במעטפת.

לפיכך, המעטפת התחתונה, סגורה בין עומקים של 670 ל-2900 ק"מ, משתרעת לאורך רדיוס כדור הארץ לאורך 2230 ק"מ. למעטפת העליונה יש קטע סיסמי פנימי מקובע היטב העובר בעומק של 410 ק"מ. כאשר חוצים את הגבול מלמעלה למטה, המהירויות הסיסמיות גדלות בחדות. כאן, כמו גם בגבול התחתון של המעטפת העליון, מתרחשות טרנספורמציות מינרלים משמעותיות.

החלק העליון של המעטפת העליונה וקרום כדור הארץ מתמזגים זה לזה בתור הליתוספירה, שהיא המעטפת המוצקה העליונה של כדור הארץ, בניגוד להידרו ולאטמוספירה. הודות לתיאוריה של טקטוניקת הלוחות הליתוספירית, המונח "ליתוספירה" הפך לנפוץ. התיאוריה מניחה את תנועת הלוחות לאורך האסתנוספרה - שכבה עמוקה נוזלית מרוככת, חלקית, עם צמיגות מופחתת. עם זאת, הסיסמולוגיה אינה מראה אסתנוספירה המתקיימת בחלל. עבור אזורים רבים, זוהו מספר שכבות אסתנוספריות הממוקמות לאורך האנכי, כמו גם אי המשכיות שלהן לאורך האופקי. החלופה שלהם ברורה במיוחד בתוך היבשות, שבהן עומק ההתרחשות של שכבות אסתנוספריות (עדשות) נע בין 100 ק"מ למאות רבות. מתחת לשקעי התהום האוקיינוסים, השכבה האסתנוספרית נמצאת בעומקים של 70-80 ק"מ או פחות. בהתאם לכך, הגבול התחתון של הליתוספירה הוא למעשה בלתי מוגדר, והדבר יוצר קשיים גדולים לתיאוריית הקינמטיקה של הלוחות הליתוספירים, שצוינה על ידי חוקרים רבים.

נתונים מודרניים על גבולות סיסמיים

עם ביצוע מחקרים סייסמולוגיים, ישנם תנאים מוקדמים לזיהוי גבולות סייסמיים חדשים. הגבולות העולמיים נחשבים ל-410, 520, 670, 2900 ק"מ, כאשר הגידול במהירויות הגלים הסיסמיים בולט במיוחד. יחד איתם נבדלים גבולות ביניים: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 ק"מ. בנוסף, קיימות אינדיקציות של גיאופיזיקאים על קיומם של גבולות 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 ק"מ. נ.א. לאחרונה ייחד פבלנקובה את גבול 100 כגלובלי, המתאים לרמה התחתונה של חלוקת המעטפת העליונה לגושים. לגבולות הביניים יש התפלגות מרחבית שונה, המעידה על השונות הרוחבית של התכונות הפיזיקליות של המעטפת, שבה הם תלויים. גבולות גלובליים מייצגים קטגוריה שונה של תופעות. הם תואמים לשינויים גלובליים בסביבת המעטפת לאורך רדיוס כדור הארץ.

הגבולות הסיסמיים הגלובליים המסומנים משמשים בבניית מודלים גיאולוגיים וגיאודינמיים, בעוד שבינוני במובן זה לא משכו עד כה כמעט תשומת לב. בינתיים, הבדלים בהיקף ובעוצמת ביטוייהם יוצרים בסיס אמפירי להשערות הנוגעות לתופעות ותהליכים במעמקי הפלנטה.

הרכב המעטפת העליונה

בעיית ההרכב, המבנה והאסוציאציות המינרלים של קונכיות אדמה עמוקות או גיאוספרות, כמובן, עדיין רחוקה מפתרון סופי, אך תוצאות ורעיונות ניסויים חדשים מרחיבים ומפרטים באופן משמעותי את הרעיונות המקבילים.

לפי השקפות מודרניות, הרכב המעטפת נשלט על ידי קבוצה קטנה יחסית יסודות כימיים: Si, Mg, Fe, Al, Ca ו-O. המודלים המוצעים של הרכב הגאוספרות מבוססים בעיקר על ההבדל ביחסים של יסודות אלה (וריאציות Mg / (Mg + Fe) = 0.8-0.9; (Mg + Fe) / Si = 1.2P1.9), כמו גם הבדלים בתוכן של Al וכמה אלמנטים נדירים יותר עבור סלעים עמוקים. בהתאם להרכב הכימי והמינרלוגי, דגמים אלו קיבלו את שמם: פירוליטי (המינרלים העיקריים הם אוליבין, פירוקסנים ונופך ביחס של 4:2:1), פיקלוגיטי (המינרלים העיקריים הם פירוקסן ונופך, והפרופורציה של אוליבין מצטמצם ל-40%) ואקלוגיטי, שיחד עם האסוציאציה הפירוקסין-נופך האופיינית לאקלוגיטים, מכיל גם כמה מינרלים נדירים יותר, בפרט קיאניט Al 2 SiO 5 (עד 10 wt%). עם זאת, כל המודלים הפטרולוגיים הללו מתייחסים בעיקר לסלעי המעטפת העליונים הנמשכים לעומקים של ~670 ק"מ. בהתייחס להרכב הגובר של גיאוספרות עמוקות יותר, ההנחה היא רק שהיחס בין תחמוצות של יסודות דו ערכיים (MO) לסיליקה (MO / SiO 2) ~ 2, קרוב יותר לאוליבין (Mg, Fe) 2 SiO 4 מאשר ל פירוקסן (Mg, Fe) SiO 3, ובין המינרלים שולטים שלבי פרוסקיט (Mg, Fe)SiO 3 עם עיוותים מבניים שונים, מגנזיווסטיט (Mg, Fe)O עם מבנה מסוג NaCl ועוד כמה שלבים בכמויות קטנות בהרבה .

כל המודלים המוצעים הם מאוד כלליים והיפותטיים. המודל הפירוליטי של המעטפת העליונה הנשלטת על ידי אוליבין מציע שההרכב הכימי שלה קרוב הרבה יותר לזה של המעטפת העמוקה כולה. להיפך, המודל הפיקלוגי מניח את קיומו של ניגוד כימי מסוים בין החלק העליון לשאר המעטפת. מודל אקולוגי ספציפי יותר מאפשר נוכחות של עדשות ובלוקים אקולוגיים נפרדים במעטפת העליונה.

מעניין מאוד הניסיון לבצע הרמוניה בין הנתונים המבניים-מינרולוגיים והגיאופיזיים הקשורים למעטפת העליונה. ההנחה הייתה מזה כ-20 שנה שהעלייה במהירויות הגלים הסיסמיים בעומק של ~410 ק"מ קשורה בעיקר לסידור מחדש המבני של אוליבין a-(Mg, Fe) 2 SiO 4 לוואדסלייט b-(Mg, Fe) 2 SiO 4, מלווה ביצירת שלב צפוף יותר עם ערכים גדוליםמקדמי גמישות. על פי נתונים גיאופיזיים, בעומקים כאלה בפנים כדור הארץ, מהירויות הגלים הסיסמיים גדלות ב-3-5%, בעוד שהסידור המבני של אוליבין לוואדסלייט (בהתאם לערכי המודולים האלסטיים שלהם) צריך להיות מלווה בעלייה במהירויות גל סיסמיות בכ-13%. יחד עם זאת, תוצאות מחקרים ניסיוניים של אוליבין ותערובת אוליבין-פירוקסן בטמפרטורות ולחצים גבוהים גילו התאמה מלאה בין העלייה המחושבת והניסיוני במהירויות הגלים הסיסמיים במרווח עומק של 200-400 ק"מ. מכיוון שלוליבין יש גמישות בערך כמו פירוקסנים מונוקליניים בצפיפות גבוהה, נתונים אלה צריכים להצביע על היעדר נופך אלסטי מאוד באזור הבסיסי, שנוכחותו במעטפת תגרום בהכרח לעלייה משמעותית יותר במהירויות הגלים הסיסמיים. עם זאת, רעיונות אלה על המעטפת חסרת הנופך התנגשו עם המודלים הפטרולוגיים של הרכבו.

לפיכך, עלה הרעיון שהקפיצה במהירויות הגלים הסיסמיים בעומק של 410 ק"מ קשורה בעיקר לסידור מחדש מבני של נופך פירוקסן בתוך חלקים מועשרים ב-Na של המעטפת העליונה. מודל כזה מניח היעדר כמעט מוחלט של הסעה במעטפת העליונה, מה שסותר מושגים גיאודינמיים מודרניים. ניתן לקשר את ההתגברות על הסתירות הללו עם המודל השלם יותר שהוצע לאחרונה של המעטפת העליונה, המאפשר שילוב של אטומי ברזל ומימן במבנה הוואדסלי.

בעוד שהמעבר הפולימורפי של אוליבין לוואדסלייט אינו מלווה בשינוי תרכובת כימית, בנוכחות נופך, מתרחשת תגובה שמובילה להיווצרות וואדסלייט המועשר ב-Fe בהשוואה לאוליבין המקורי. יתר על כן, וואדסלייט יכול להכיל משמעותית יותר אטומי מימן מאשר אוליבין. השתתפותם של אטומי Fe ו-H במבנה הוואדסלייטי מביאה לירידה בקשיחותו ובהתאם לירידה במהירויות ההתפשטות של גלים סייסמיים העוברים במינרל זה.

בנוסף, היווצרות וודסלייט מועשר ב-Fe מציעה מעורבות של כמות גדולה יותר של אוליבין בתגובה המקבילה, שאמורה להיות מלווה בשינוי בהרכב הכימי של סלעים ליד קטע 410. רעיונות לגבי טרנספורמציות אלה מאוששות על ידי עולמי מודרני. נתונים סיסמיים. ככלל, נראה שההרכב המינרלי של חלק זה של המעטפת העליון ברור פחות או יותר. בכל הנוגע לקשר המינרלים הפירוליטי, הטרנספורמציה שלו עד לעומקים של ~800 ק"מ נחקרה בפירוט מספיק. במקרה זה, הגבול הסיסמי הגלובלי בעומק של 520 ק"מ מתאים לסידור מחדש של wadsleyite b-(Mg, Fe) 2 SiO 4 לרינגוודיט - g-modification של (Mg, Fe) 2 SiO 4 עם מבנה ספינל. הטרנספורמציה של פירוקסן (Mg, Fe)SiO 3 נופך Mg 3 (Fe, Al, Si) 2 Si 3 O 12 מתרחשת במעטפת העליונה בטווח עומק רחב יותר. לפיכך, כל הקליפה ההומוגנית יחסית במרווח של 400-600 ק"מ של המעטפת העליונה מכילה בעיקר שלבים עם סוגי מבני נופך וספינל.

כל המודלים המוצעים כיום להרכב סלעי המעטפת מודים שהם מכילים Al 2 O 3 בכמות של ~4 wt. %, אשר משפיע גם על הספציפיות של טרנספורמציות מבניות. יחד עם זאת, יצוין כי באזורים מסוימים של המעטפת העליונה ההטרוגנית מבחינה קומפוזיציית, ניתן לרכז Al במינרלים כגון קורונדום Al 2 O 3 או קיאניט Al 2 SiO 5, אשר, בלחצים וטמפרטורות התואמות לעומקים של ~ 450 ק"מ, הופך לקורונדום וסטישוביט הוא שינוי של SiO 2 שהמבנה שלו מכיל מסגרת של SiO 6 אוקטהדרה. שני המינרלים הללו נשמרים לא רק במעטפת התחתונה, אלא גם עמוק יותר.

המרכיב החשוב ביותר בהרכב הכימי של אזור 400-670 ק"מ הוא מים, שתכולתם, על פי כמה הערכות, היא ~0.1 wt. % ונוכחותם קשורה בעיקר ל-Mg-silicates. כמות המים האגורה בקונכייה זו כה משמעותית עד שעל פני כדור הארץ היא תרכיב שכבה בעובי של 800 מ'.

הרכב המעטפת מתחת לגבול של 670 ק"מ

המחקרים על מעברים מבניים של מינרלים שבוצעו בשניים או שלושה העשורים האחרונים באמצעות תאי רנטגן בלחץ גבוה אפשרו מודל של כמה מאפיינים של הרכב ומבנה הגאוספרות עמוק יותר מגבול 670 ק"מ.

בניסויים אלה, הגביש הנחקר ממוקם בין שתי פירמידות יהלומים (סדנים), אשר, כאשר הם דחוסים, יוצרות לחצים התואמים את הלחצים בתוך המעטפת וליבת כדור הארץ. עם זאת, יש עדיין שאלות רבות לגבי חלק זה של המעטפת, המהווה יותר ממחצית מפנים כדור הארץ כולו. נכון לעכשיו, רוב החוקרים מסכימים עם הרעיון שכל המעטפת העמוקה (הנמוכה יותר במובן המסורתי) מורכבת בעיקר מפאזה דמוית פרובסקיט (Mg,Fe)SiO 3 , המהווה כ-70% מנפחו (40% מנפחו). נפח של כדור הארץ כולו), ומגנסיאווויסטיט (Mg, Fe)O (~20%). ה-10% הנותרים הם שלבי סטישוביט ותחמוצת המכילים Ca, Na, K, Al ו-Fe, שהתגבשותם מותרת בסוגים המבניים של אילמניט-קורונדום (תמיסה מוצקה (Mg, Fe)SiO 3 -Al 2 O 3) , פרוסקיט מעוקב (CaSiO 3) ו-Ca-ferrite (NaAlSiO 4). היווצרותם של תרכובות אלו קשורה בטרנספורמציות מבניות שונות של מינרלים במעטפת העליונה. במקביל, אחד השלבים המינרלים העיקריים של קליפה הומוגנית יחסית השוכנת במרווח עומק של 410-670 ק"מ, רינגוודיט דמוי ספינל, הופך לאסוציאציה של (Mg, Fe)-perovskite ו-Mg-wustite ב- גבול של 670 ק"מ, שבו הלחץ הוא ~24 GPa. מרכיב חשוב נוסף של אזור המעבר, נציג ממשפחת הנופך, pyrope Mg 3 Al 2 Si 3 O 12, עובר טרנספורמציה עם היווצרות פרובסקיט מעוין (Mg, Fe) SiO 3 ותמיסה מוצקה של קורונדום-אילמניט ( Mg, Fe) SiO 3 - Al 2 O 3 במספר לחצים גבוהים. מעבר זה קשור לשינוי במהירויות של גלים סיסמיים במפנה של 850-900 ק"מ, המקביל לאחד מגבולות הביניים הסיסמיים. הטרנספורמציה של andradite sagarnet בלחצים נמוכים יותר של ~21 GPa מובילה להיווצרות של מרכיב חשוב נוסף Ca 3 Fe 2 3+ Si 3 O 12 שהוזכר לעיל במעטפת התחתון, קוביות Saperovskite CaSiO 3. היחס הקוטבי בין המינרלים העיקריים של אזור זה (Mg,Fe) - פרובסקיט (Mg,Fe)SiO 3 ו-Mg-wustite (Mg, Fe)O משתנה על פני טווח רחב למדי ובעומק של ~1170 ק"מ ב- לחץ של ~29 GPa וטמפרטורות של 2000 -2800 0 C משתנות מ-2:1 ל-3:1.

היציבות יוצאת הדופן של MgSiO 3 עם מבנה פרוסקיט מעוין במגוון רחב של לחצים התואמים למעמקי המעטפת התחתונה מאפשרת לנו לראות בו כאחד המרכיבים העיקריים של גיאוספרה זו. הבסיס למסקנה זו היה הניסויים, שבמהלכם דגימות של Mg-perovskite MgSiO 3 נחשפו ללחץ גבוה פי 1.3 מיליון מהלחץ האטמוספרי, ובמקביל נחשפה קרן לייזר בטמפרטורה של כ-2000 0 C לדגימה המונחת בין סדני יהלום. לפיכך, דימיינו את התנאים הקיימים בעומקים של ~2800 ק"מ, כלומר, ליד הגבול התחתון של המעטפת התחתונה. התברר כי לא במהלך הניסוי ולא לאחריו שינה המינרל את מבנהו והרכבו. לפיכך, L. Liu, כמו גם E. Nittle ו- E. Zhanloz הגיעו למסקנה שיציבותו של Mg-perovskite מאפשרת לנו לראות בו את המינרל הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ, המהווה, ככל הנראה, כמעט מחצית מהמסה שלו.

Wustite F x O יציב לא פחות, שהרכבו בתנאי המעטפת התחתונה מאופיין בערך המקדם הסטוכיומטרי x< 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.

יש לציין שהשלבים דמויי הפרובסקיט השוררים בעומקים גדולים יכולים להכיל כמות מוגבלת מאוד של Fe, וריכוזים גבוהים של Fe בין המינרלים של האסוציאציה העמוקה אופייניים רק למגנזיווסטיט. במקביל, עבור magnesiowiustite, אפשרות המעבר בהשפעת לחצים גבוהים של חלק מהברזל הברזל הכלול בו לברזל ברזל, שנשאר במבנה המינרל, עם שחרור בו-זמנית של הכמות המתאימה. של ברזל ניטרלי, הוכח. בהתבסס על נתונים אלה, H. Mao, P. Bell, ו-T. Yagi, עובדי המעבדה הגיאופיזית של מכון קרנגי, העלו רעיונות חדשים לגבי התמיינות החומר במעמקי כדור הארץ. בשלב הראשון, עקב חוסר היציבות הגרביטציונית, מגנזיווסטיט שוקע לעומק, שבו בהשפעת לחץ משתחרר ממנו חלק מהברזל בצורה ניטרלית. שארית magnesiowustite, המאופיין בצפיפות נמוכה יותר, עולה לשכבות העליונות, שם הוא מתערבב שוב עם שלבים דמויי פרובסקיט. המגע איתם מלווה בשיקום הסטוכיומטריה (כלומר, היחס שלמים של אלמנטים ב נוסחה כימית) של magnesiowiustite ומוביל לאפשרות לחזור על התהליך המתואר. הנתונים החדשים מאפשרים להרחיב במידת מה את מערך היסודות הכימיים הסבירים למעטפת העמוקה. לדוגמה, היציבות של מגנזיט בלחצים התואמים לעומקים של ~900 ק"מ, המבוססת על ידי N. Ross (1997), מצביעה על נוכחות אפשרית של פחמן בהרכבו.

זיהוי של גבולות סיסמיים ביניים בודדים הממוקמים מתחת לקו 670 מתאם לנתונים על טרנספורמציות מבניות של מינרלים מעטפת, שצורתם יכולה להיות מגוונת מאוד. המחשה לשינוי במאפיינים רבים של גבישים שונים בערכים גבוהים של פרמטרים פיזיקוכימיים התואמים למעטפת העמוק יכולה להיות, על פי ר' ג'אנלוס ור' האזן, המבנה מחדש של הקשרים הקוולנטיים של ווסטיט שנרשם במהלך ניסויים בלחצים של 70 ג'יגה-פסקל (GPa) (~1700 ק"מ). בקשר לסוג המתכתי של אינטראקציות בין-אטומיות. אבן הדרך של 1200 יכולה להתאים לסידור מחדש של SiO 2 עם מבנה הסטישווויט לסוג המבני CaCl 2 (אנלוגי מעוין של Rutil TiO 2), ו-2000 ק"מ - הפיכתו לאחר מכן לשלב עם מבנה המתווך בין a-PbO 2 ו ZrO 2, מאופיין באריזה צפופה יותר של אוקטהדרה סיליקון-חמצן (נתונים מ- L.S. Dubrovinsky וחב'). כמו כן, החל מעומקים אלה (~2000 ק"מ), בלחצים של 80-90 GPa, מותר פירוק של MgSiO 3 דמוי פרוסקיט, מלווה בעלייה בתכולת MgO periclase וסיליקה חופשית. בלחץ מעט גבוה יותר (~96 GPa) ובטמפרטורה של 800 0 С, נוצר ביטוי של פולטיפיות ב-FeO, הקשור להיווצרות של שברים מבניים מסוג NiAs ניקלין, לסירוגין עם תחומים אנטי-ניקל, בהם Fe. אטומים ממוקמים במיקומים של אטומי As, ואטומי O - במיקומים אטומי Ni. סמוך לגבול D" מתרחשת הטרנספורמציה של Al 2 O 3 עם מבנה הקורונדום לפאזה עם מבנה Rh 2 O 3, אשר מודל ניסיוני בלחצים של ~100 GPa, כלומר בעומק של ~2200-2300 ק"מ. באמצעות שיטת הספקטרוסקופיה של מוסבאואר באותו לחץ, המעבר ממצב ספין גבוה (HS) למצב נמוך ספין (LS) של אטומי Fe במבנה המגנזיווסטיט, כלומר, שינוי במבנה האלקטרוני שלהם. בהקשר זה, יש להדגיש כי המבנה של ה-Wuestite FeO לחץ גבוהמאופיינת על ידי אי-סטוכיומטריה קומפוזיציית, פגמי אריזה אטומית, פוליטייפ ושינוי בסדר מגנטי הקשור לשינוי במבנה האלקטרוני (HS => LS - מעבר) של אטומי Fe. המאפיינים המצוינים מאפשרים לנו להתייחס ל-wustite כאחד המינרלים המורכבים ביותר עם תכונות יוצאות דופן שקובעות את הפרטים של האזורים העמוקים של כדור הארץ המועשרים בו ליד גבול D.

מדידות סיסמולוגיות מצביעות על כך שגם הליבות הפנימיות (המוצקות) והן החיצוניות (הנוזליות) של כדור הארץ מתאפיינות בצפיפות נמוכה יותר בהשוואה לערך המתקבל על בסיס מודל ליבה המורכב רק מברזל מתכתי עם אותם פרמטרים פיזיקוכימיים. רוב החוקרים מייחסים ירידה זו בצפיפות לנוכחות בליבת היסודות כגון Si, O, S, ואפילו O, היוצרים סגסוגות עם ברזל. בין השלבים הסבירים לתנאים פיזיקוכימיים "פאוסטיים" כאלה (לחץ ~250 GPa וטמפרטורה 4000-6500 0 C), נקראים Fe 3 S עם הסוג המבני הידוע Cu 3 Au ו- Fe 7 S. שלב נוסף הניח ב- הליבה היא b-Fe, שהמבנה שלה מאופיין באריזה קרובה של ארבע שכבות של אטומי Fe. טמפרטורת ההיתוך של שלב זה מוערכת ב-5000 0 C בלחץ של 360 GPa. נוכחותו של מימן בליבה הייתה מזמן שנויה במחלוקת בשל מסיסותו הנמוכה בברזל בלחץ אטמוספרי. עם זאת, ניסויים אחרונים (נתונים של J. Badding, H. Mao and R. Hamley (1992)) אפשרו לקבוע כי ברזל הידריד FeH יכול להיווצר בטמפרטורות ולחצים גבוהים והוא יציב בלחצים העולה על 62 GPa, המתאים ל- עומקים של ~1600 ק"מ. בהקשר זה, נוכחותם של כמויות משמעותיות (עד 40 מול.%) של מימן בליבה מקובלת למדי ומפחיתה את צפיפותו לערכים התואמים את הנתונים הסיסמולוגיים.

ניתן לחזות כי נתונים חדשים על שינויים מבניים בשלבי מינרלים בעומקים גדולים יאפשרו למצוא פרשנות נאותה של גבולות גיאופיזיים חשובים אחרים הקבועים בבטן כדור הארץ. המסקנה הכללית היא שבגבולות סיסמיים גלובליים כמו 410 ו-670 ק"מ, ישנם שינויים משמעותיים בהרכב המינרלים של סלעי המעטפת. טרנספורמציות מינרלים מצוינות גם בעומקים של ~850, 1200, 1700, 2000 ו-2200-2300 ק"מ, כלומר בתוך המעטפת התחתונה. זוהי נסיבות חשובות מאוד המאפשרות לנטוש את הרעיון של המבנה ההומוגני שלה.