Шість основних фактів про мантію Землі

Мантія – це товстий шар гарячої твердої породи між земною корою та ядром із розплавленого заліза. Вона займає основну частину Землі, становлячи дві третини маси планети. Мантія починається на глибині близько 30 кілометрів і сягає 2900 кілометрів.

Структура Землі

Земля має той самий склад елементів, що й Сонце та інші планети (не враховуючи водень і гелій, які зникли через гравітацію Землі). Не беручи до уваги залізо в ядрі, ми можемо підрахувати, що мантія є сумішшю магнію, кремнію, заліза і кисню, що приблизно відповідає за складом мінералам.

Але саме те, що суміш мінералів присутня на заданій глибині, є складним питанням, яке мало обґрунтоване. Ми можемо одержувати зразки з мантії, шматки порід, підняті при певних вулканічних виверженнях, з глибини близько 300 кілометрів, а іноді й набагато глибші. Вони показують, що найвища частина мантії складається з перидотиту та еклогіту. Найцікавіше, що ми отримуємо від мантії – це діаманти.

Діяльність у мантії

Верхню частину мантії повільно перемішують рух плит, що проходять над нею. Це викликано двома видами діяльності. По-перше, відбувається рух рухомих плит вниз, які ковзають одна під одною. По-друге, відбувається висхідний рух мантійної породи, коли дві тектонічні плити розходяться і розсуваються. Тим не менш, усі ці дії не повністю змішують верхній шар мантії, і геохіміки вважають верхню мантію кам'яною версією мармурового пирога.

Світові моделі вулканізму відбивають дію тектоніки плит, крім кількох областей планети, званих гарячими точками.Гарячі точки можуть служити ключем до підйому та опускання матеріалів набагато глибше в мантії, можливо, з самого її заснування. У наші дні триває енергійна наукова дискусія щодо гарячих точок планети.

Вивчення мантії за допомогою сейсмічних хвиль

Наш найпотужніший метод вивчення мантії – це моніторинг сейсмічних хвиль від землетрусів у світі. Два різних види сейсмічних хвиль: хвилі P (аналогічні звуковим хвилях) і хвилі S (наприклад, хвилі від стручується мотузки) відповідають фізичним властивостям породи, через яку вони проходять. Сейсмічні хвилі відбивають деякі типи поверхонь і заломлюють (згинають) інші типи поверхонь, коли завдають по них удару. Вчені використовують ці ефекти визначення внутрішніх поверхонь Землі.

Наші інструменти досить хороші, щоб розглядати мантію Землі, як лікарі роблять ультразвукові знімки своїх пацієнтів. Після сторіччя збору даних про землетруси ми можемо зробити кілька вражаючих карт мантії.

Моделювання мантії у лабораторії

Мінерали та породи змінюються під високим тиском. Наприклад, загальний мантійний мінерал - олівін перетворюється на різні кристалічні форми на глибинах близько 410 кілометрів і знову на 660 кілометрах.

Вивчення поведінки мінералів за умов мантії відбувається двома способами: комп'ютерне моделювання, засноване на рівняннях фізики мінералів та лабораторних експериментах. Таким чином, сучасні дослідження мантії проводяться сейсмологами, програмістами та лабораторними дослідниками, які тепер можуть відтворювати умови в будь-якому місці мантії за допомогою лабораторного обладнання під високим тиском, такого як комірка з алмазною ковадлом.

Шари мантії та внутрішні кордони

Століття досліджень дозволило заповнити деякі прогалини у знаннях про мантію. Вона має три основні шари. Верхня мантія тягнеться від основи кори (Мохоровичича) до глибини 660 кілометрів. Перехідна зона розташована між 410 та 660 кілометрами, де відбуваються значні фізичні зміни мінералів.

Нижня мантія простягається від 660 до 2700 кілометрів. Тут сейсмічні хвилі сильно приглушені, і більшість дослідників вважають, що породи під ними різні за хімічним складом, а не лише кристалографією. І останній спірний шар на дні мантії має товщину близько 200 кілометрів і є межею між ядром та мантією.

Чому мантія Землі особлива

Оскільки мантія є основною частиною Землі, її історія має фундаментальне значення для геології. Мантія сформувалася під час народження Землі, як океан рідкої магми на залізному ядрі. Оскільки вона тверділа, елементи, які не вписувалися в основні мінерали, зібралися у вигляді накипу на вершині кори. Потім мантія розпочала повільну циркуляцію, яку продовжує останні 4 мільярди років. Верхня частина мантії почала охолоджуватись, тому що вона перемішувалась і гідратувалася тектонічними рухами поверхневих плит.

У той же час ми багато чого дізналися про структуру інших планет земної групи (Меркурія, Венери та Марса). Порівняно з ними, Земля має активну змащену мантію, яка є особливою завдяки тому ж елементу, який відрізняє її поверхню: воді.

Будова Землі

Загальноприйнята в науці будова Землі виглядає так: тонкий шар кори на поверхні, потім мантія та кулясте ядро ​​в центрі.Заглянути вглиб планети та обчислити її структуру вчені змогли завдяки величезній кількості досліджень, зокрема того, як розходяться сейсмохвилі. Розповідаємо, як виглядає внутрішня структура Землі та що відомо про її склад.

Внутрішня будова Землі

Будова земної кори

Земля складається з кори, мантії та ядра - це загальноприйнята модель будови нашої планети, що склалася на початку XX століття. У кожного шару свої фізичні властивості, хімічний склад та товщина [1]. У структурі Землі шари йдуть один за одним з одночасним зростанням температури та тиску. У центрі планети, як вважають науковці, ці показники досягають максимумів — до 6000 °C та 3,6 млн атмосфер.

• Кора. Це верхній шар зовнішньої твердої оболонки Землі, яку припадає менше 1% від маси нашої планети [1]. Кора буває двох видів: континентальна, з верхнім шаром ґрунту, і океанічна, що утворює поверхню морського дна.
• Мантія. Найбільший шар. На неї припадає майже 70% маси планети та трохи більше 80% обсягу. Мантія ділиться на верхню та нижню. Мантія не рідка, а досить тверда, щільна та в'язка структура, за винятком деяких шарів.
• Ядро. Знаходиться у центрі планети, нею припадає близько 30% маси Землі. Воно також неоднорідне, вчені виділяють два шари: зовнішній та внутрішній. Завдяки ядру наша планета має магнітне поле.

Будова Землі вивчає геофізика [2]. Це комплекс дисциплін, що включає дослідження на суші, в океані та космосі. Одні з перших відкриттів внутрішньої структури Землі стали можливими завдяки винаходу сейсмографів. Дані про те, як хвилі від землетрусів проходять крізь планету, дозволили вченим судити про фізичний та хімічний склад її надр.

З чого складається кора Землі

Земна кора — верхній шар літосфери, жорсткої оболонки Землі. Вона складається переважно з твердих порід і ділиться на три рівні: осадовий, гранітний та базальтовий [4]. Земна кора - найтонший шар у структурі Землі. Для неї характерна неоднорідність рельєфу, його мінливість.

Товщина кори

Відстань від поверхні до нижньої межі кори з наступним шаром – близько 75 км [1]. У високогірних районах потужність кори найбільша, а під дном океану вона найтонша — місцями до 5–6 км [4]. У цьому вся шарі присутні більшість елементів таблиці Менделєєва, але кілька складають її основу [5]. Передбачається, що співвідношення виглядає так: 46,6% - кисень, 27,72% - кремній, 8,13% - алюміній, 5% - залізо, 3,63% - кальцій і трохи більше двох відсотків припадає на натрій, калій та магній.

Літосферні плити

Літосфера - це жорстка зовнішня частина Землі, товщина якої сягає 200 км [6]. Вона включає земну кору і верхню частину мантії — астеносферу (пластичний шар, що підстилає літосферу) [7]. Літосфера поділена на тектонічні чи літосферні плити. Кожна плита включає ділянки з океанічним і континентальним типом земної кори. Виняток - Тихоокеанська ділянка. На цій плиті, найбільшій, переважає океанічна кора. Літосферні плити постійно рухаються астеносферою, викликаючи масштабні обурення: розломи, виверження вулканів і землетрусу.

З чого складається мантія Землі

Мантія - це шар під земною корою та над ядром. Вона залягає з глибини 70 км від поверхні і з нижньою межею на рівні 2900 км. Мантія дуже гаряча, її температура варіюється від 1000 ° C поблизу кордону з корою до 3700 ° C біля ядра [4].Активність у мантії тісно пов'язана з процесом конвекції - перенесенням тепла з ядра у верхні шари планети [8].

Верхня мантія

Залягає під нижньою межею земної кори (так звана межа Мохоровичіча) до глибини близько 400 км [9]. Вона включає нижню частину літосфери та верхню частину астеносфери.

Нижня мантія

Починається з глибини від 400 км і доходить до ядра (кордон 2900 км). Вона гаряча і щільніша за верхній шар [1].

Цікавий факт: дізнатися трохи більше про склад мантії та процеси, що протікають у ній, дозволяють алмази, що формуються в її верхньому шарі. З глибин планети ближче до поверхні, де це каміння знаходять люди, їх переносять магматичні гірські породи — кімберліти. У здобутих зразках іноді виявляють вкраплення інших речовин — вони становлять основний інтерес для науки. Більшість алмазів утворюються на глибині 150-200 км у верхній мантії, але зустрічаються зразки з мінеральними включеннями, що належать до перехідної зони 410-660 км від поверхні Землі [10], [11].

Наприклад, у 2022 році при дослідженні алмазу з глибини 600 км вчені виявили у ньому включення рингвудиту. Це дуже рідкісний мінерал, який раніше знаходили на Землі єдиний раз. Аналіз показав, що у зразку є вода (не у звичній рідкій формі, а у пов'язаній зі структурою мінералу). Це дозволило припустити, що вода може проникати або спочатку бути присутнім у надрах Землі глибше, ніж вважали вчені [12], [13].

З чого складається ядро ​​Землі

Ядро Землі - гаряча і щільна куля в центрі планети. Від поверхні воно розташоване з відривом приблизно 2900 км, його радіус — близько 3500 км [14]. Вченим відомо, що ядро ​​складається з двох частин: зовнішньої рідкої оболонки та внутрішнього твердого елемента.Температура ядра найвища серед усіх верств – до 6000 °C.

Зовнішнє ядро

Зовнішнє ядро ​​знаходиться під мантією і, ймовірно, є шаром розплавленого заліза і нікелю. Товщина зовнішнього ядра – близько 2000 км [4]. Усередині цього шару формуються струми, що утворюють магнітне поле Землі.

Внутрішнє ядро

Це найбільший центр Землі. Вчені вважають, що воно майже на 90% складається із сплаву нікелю та заліза, а також домішок сірки. Температура у внутрішньому ядрі найвища – від 5000 до 6000 °C. Це значно вище за температуру плавлення заліза, але внутрішнє ядро, як вважає наука, не є рідким. Пояснення цьому криється в колосальному тиску, який зазнає центр планети. Воно настільки велике, що навіть екстремально високі температури не дають речовині перейти у рідкий стан. [15].

Цікавий факт: внутрішнє ядро ​​обертається трохи інакше, ніж решта Землі. Сучасна наука передбачає, що вона рухається трохи швидше, здійснюючи додатковий оборот кожні 1000 років. Крім того, вчені вважають, що внутрішнє ядро ​​Землі повільно збільшується у розмірах [15].

На скільки відсотків Земля складається із води

Вся вода на планеті, в рідкому, твердому та газоподібному стані, становить гідросферу. Вона пронизує всі геосфери Землі: від нижньої межі кори (підземні води) до верхніх верств атмосфери [16]. Маса гідросфери, тобто усієї відомої людині води, становить близько 0,025% маси планети [17].

Усього Землі близько 1 386 000 000 куб. км води [17]. Основна частина посідає солоні води океанів. Прісних вод трохи більше 3,5%. Більшість цієї води укладено в льодовиках [18]. Третина прісної води – це так звані ґрунтові води. Ще менше її в річках, озерах та струмках.Дуже невелика кількість води знаходиться в атмосфері, де вона існує у вигляді водяної пари, з якої складаються хмари.

З чого складається атмосфера

Атмосфера Землі — це суміш газів, які обволікають нашу планету зовні. п'ять основних структур у її складі.

1. Тропосфера. Розширюється від поверхні Землі на висоту близько 12 км. У ній утримується повітря, необхідне рослинам для фотосинтезу і для дихання тваринам.
2. Стратосфера. Починається на висоті від 12 км і сягає приблизно 50 км над поверхнею Землі. У ній сконцентрований озоновий шар, який захищає від шкідливого випромінювання Сонця.
3. Мезосфери. Розташована на висоті від 50 до 80 км. У міру збільшення висоти мезосфера стає все холоднішою: її середня температура — мінус 85 °C.
4. Термосфера. Розширюється до висоти 700 км від поверхні Землі. У цьому шарі обертається навколо планети Міжнародна космічна станція. .
5. Екзосфера. Найвищий шар атмосфери Землі, яку ще називають сферою розсіювання. Тут частки атмосфери долають земне тяжіння і йдуть у відкритий космос [20].

Незважаючи на накопичені знання, питання про будову Землі, як і раніше, дискусійне, а запропонована модель будови не є вичерпною. Наука не виключає, що структура нашої планети може бути набагато складнішою, включаючи перехідні шари і ті, про які, можливо, ще не відомо. Наприклад, у 2023 році вчені висунули гіпотезу, що всередині ядра планети може бути ще один кулястий елемент. Нещодавні дослідження також показали, що в структурі внутрішнього ядра є велика кількість прошарків з різноманітним складом.

Але прямо поки що ніхто і ніколи не проник у мантію та ядро, а більшість даних про них непрямі. Виняток – земна кора. Багато чого про її склад люди дізналися, поринаючи в надра. Найглибша свердловина, яку колись зробив людина, становить трохи більше 12 км (Кольська надглибока, Мурманськ) [21]. Породи, витягнуті з її глибин, виявилися цінними для науки, але в масштабах планети людина зазирнула не так глибоко: Кольська надглибока наблизилася лише на 0,2% до центру Землі.

Шари Землі

Земля зазвичай ділиться на чотири основні шари: кора, мантія, внутрішнє ядро ​​та зовнішнє ядро. Нижче наводиться визначення кожного підрозділу. (Примітка: цифри, що представляють товщину і глибину цих шарів, різняться залежно від посилання, тому цифри слід приймати як приблизні):

Кора- Земна кора - це найзовнішній шар і найзнайоміший, тому що люди живуть на зовнішній оболонці земної кори. Він жорсткий, тендітний і тонкий у порівнянні з мантією, внутрішнім ядром та зовнішнім ядром. Через різні характеристики цей зовнішній шар ділиться на континентальну і океанічну кору.

Мантія- Загалом мантія Землі знаходиться під корою і над зовнішнім ядром, її середня товщина становить близько 1,802 миль (2,900 кілометрів), що становить 68.3 відсотка маси Землі. Перехідна зона ділить цей шар на верхню та нижню мантії.

Зовнішнє ядро- Рідке зовнішнє ядро ​​є шаром на глибині від 1,793 до 3,762 миль (від 2,885 до 5,155 кілометрів) у надрах Землі. Вважається, що вона рухається за рахунок конвекції (перенесення тепла за допомогою циркулюючого руху частинок, у даному випадку матеріалу, з якого складається зовнішнє ядро), при цьому рух, можливо, робить свій внесок у магнітне поле Землі. Зовнішнє ядро ​​становить близько 29.3 відсотка від загальної маси Землі.

Внутрішнє ядро- Вважається, що внутрішнє ядро ​​має розмір приблизно із земний Місяць. Він знаходиться на глибині від 3,762 до 3,958 миль (від 5,150 до 6,370 кілометрів) під поверхнею Землі та виробляє тепло, близьке до температури на поверхні Сонця. Він становить близько 1.7 відсотка маси Землі і, як вважають, складається з твердого сплаву заліза та нікелю, зваженого всередині розплавленого зовнішнього ядра.

Чи геологи ділять Землю по-іншому?

Так, у геологів є інший спосіб поглянути на внутрішні шари Землі. Наступний список відноситься до цього подання:

Літосфера- Літосфера (Ii/has у перекладі з грецької означає «камінь») у середньому має товщину близько 50 миль (80 кілометрів) і складається як із земної кори, так і частини верхньої мантії. Загалом це більш жорстка, ніж глибока, але більш розплавлена ​​мантія і досить прохолодна, щоб бути жорсткою та еластичною. Він тонший під океанами та у вулканічно активних континентальних регіонах, таких як Каскади на заході США.Літосфера фізично розбита на тендітні рухомі плити, що містять континенти та океани світу. Ці літосферні плити здаються «плаваючими» і рухомими більш пластичною астеносферою. (Докладніше про тектоніка плит, див. нижче).

Астеносфера- Щодо вузька, рухлива зона у верхній мантії, астеносфера (астен по-грецьки означає «слабка») зазвичай розташована на глибині від 45 до 155 миль (від 72 до 250 кілометрів) під поверхнею Землі. Він складається з гарячого напівтвердого матеріалу, який стає м'яким і текучим після дії високих температур та тиску; Вважається, що цей матеріал хімічно подібний до мантії. Кордон астеносфери знаходиться ближче до поверхні – в межах кількох миль – під океанами та поблизу серединно-океанічних хребтів, ніж під масивами суші. Верхній відділ астеносфери вважається областю руху літосферних плит, що «несуть» через нашу планету континентальні та океанічні плити. Існування астеносфери було висловлено ще у 1926 році, але не було підтверджено доти, доки вчені не вивчили її. сейсмічні хвилі з Чилійського землетрусу від 22 травня 1960 року.

Чим відрізняється композиційна та механічна шаруватість Землі?

Коли вчені говорять про земну кору (океанську або континентальну), мантію та ядра, вони мають на увазі шари з різним хімічним складом; таким чином, це називається композиційною багатошаровістю. Літосфера та астеносфера відрізняються своїми механічними властивостями (наприклад, літосфера рухається як жорстка оболонка, а астеносфера поводиться як густа в'язка рідина), а не складом, тому застосовується термін механічне розшарування.

Хто дав перше наукове пояснення надр Землі?

Емпедокл, філософ, який жив у 400-х роках до н.е., був одним із перших, хто сформулював науковий опис надр Землі. Він вважав, що внутрішня частина Землі складається із гарячої рідини. Насправді Емпедокл був близьким до істини. Сучасні вчені розуміють, що надра Землі містять не міфічні істоти, а мегатонни гірських порід та розплавленої речовини.