Мантия

Объем мантии составляет 83% объема Земли, масса — 67% массы нашей планеты. Мантия делится на несколько геосфер, и прежде всего на верхнюю и нижнюю мантии. Между ними нет резкой границы, условно она проходит на глубине 900 км. Верхнюю мантию еще подразделяют на несколько сферических зон.

Скорости сейсмических волн в мантии растут с глубиной. Но начиная с глубины 80—100 км под материками и около 50 км под океанами они понижаются на протяжении около 100 км, потом начинают повышаться и на глубине около 400 км приходят опять к тем значениям, которые соответствуют общему ходу кривых на графике скоростей в этой части мантии. Особенно заметно понижение скорости поперечных волн. Эту зону пониженных скоростей сейсмических волн называют слоем Гутенберга.

Почему существует слой Гутенберга? 'Давление и температура в Земле растут с глубиной. Действия их на вещество противоположны. Приток тепла приводит к увеличению объема и в конце концов к расплавлению вещества, а давление уменьшает объем и мешает расплавлению, так как повышает точку плавления (температурную). Во всех других зонах мантии давление берет верх: вещество там находится в твердом кристаллическом состоянии. Слой же Гутенберга, по-видимому, создан частичной победой тепла. Здесь температура близка к точке плавления материала мантии. Из-за большого давления он не расплавляется, а находится в аморфном состоянии. Есть и другое предположение: в слое Гутенберга расплавились только самые легкоплавкие кристаллы, так что в твердом в общем веществе вкраплены отдельные капли жидкости. Из обоих предположений вытекает, что для слоя Гутенберга характерна пониженная вязкость, а это очень важно для объяснения многих процессов.

Дело в том, что горные породы при большом давлении и температуре могут медленно течь, оставаясь твердыми, как течет ледник с горы. Очевидно, что перетекание материала при неравномерном давлении как раз и происходит в слое Гутенберга, который часто называют астеносферой, т. е. слабой сферой. Считают, что изостазия возникает благодаря перетеканию материала в астеносфере.

Полной победы тепла мы не наблюдаем ни на какой глубине вплоть до границы земного ядра: нигде — ни в коре, ни в мантии нет сплошного жидкого слоя. Это доказывается тем, что поперечные упругие волны свободно проходят сквозь кору и всю мантию, а известно, что сквозь жидкость они не проходят. Расплавленная магма, которая создает интрузии и питает вулканы, образуется лишь в отдельных местах в коре или приходит из отдельных очагов (карманов), расположенных в субстрате или астеносфере, а может быть и глубже. Твердость верхней мантии подтверждается еще и тем, что в ней (как и в коре) наблюдаются очаги землетрясений — в некоторых областях до глубины 700 км. Глубже землетрясений не бывает.

Вся остальная часть верхней мантии под астеносферой называется слоем . Голицына, чаще ее называют просто слоем С (геосферы обозначены латинскими буквами: А — кора, В — субстрат и астеносфера вместе, С — слой Голицына, D — нижняя мантия, Е, F, G — различные слои в земном ядре, о которых скажем дальше).

В слое Голицына скорости сейсмических волн с глубиной растут особенно быстро. Чем это объясняется? Предполагается, что верхняя мантия состоит в основном из форстерита; это минерал, в состав которого входят кремнезем и магний. К нему примешан фаялит, в его составе есть кремнезем и железо и в небольших количествах другие силикаты (т. е. минералы с примесью кремнезема). Кристаллы форстерита и фаялита на поверхности Земли имеют строго определенный порядок атомов, причем атомы расположены, или, как говорят, «упакованы», не плотно. Под действием очень большого давления — как раз такого, какое имеется в слое Голицына, — эти силикаты приобретают другую форму кристаллов, с более плотной упаковкой атомов. Это и приводит к сильному увеличению скоростей сейсмических волн. Одновременно должна возрастать и плотность, поэтому в слое Голицына предполагают быстрый рост плотности с глубиной.

В нижней мантии скорости сейсмических волн растут с глубиной как раз так, как они должны расти за счет роста давления без всяких перестроек кристаллов. Поэтому нижнюю мантию считают однородной, и рост плотности идет только за счет упругого сжатия под давлением. В составе нижней мантии предполагают те же силикаты, что и в верхней мантии, но возможно, что они разложены здесь на окислы. На долю нижней мантии приходится 47% объема Земли и 41% ее массы.