Сучасні даних про сейсмічних межах
Тим більше проводиться сейсмологічних досліджень, тим більше коштів з'являється сейсмічних кордонів. Глобальними прийнято вважати кордону 410, 520, 670, 2900 км, де збільшення швидкостей сейсмічних хвиль особливо помітно. Поруч із ними виділяються проміжні кордону: 60, 80, 220, 330, 710, 900, 1050, 2640 км. Додатково є вказівки геофізиків існувати кордонів 800, 1200-1300, 1700, 1900-2000 км. Н.І. Павленковой нещодавно у ролі глобальної виділено кордон 100, відповідальна нижньому рівню поділу верхньої мантії на блоки. Проміжні кордону мають різне просторове поширення, що свідчить про латеральної мінливості фізичних властивостей мантії, яких які й залежать. Глобальні кордону представляють іншої категорії явищ. Вони глобальним змін мантийной середовища по радіусу Землі.
Відзначені глобальні сейсмічні кордону використовуються при побудові геологічних і геодинамических моделей, тоді як проміжні у сенсі поки уваги майже залучали. Тим більше що розбіжності у масштабах і інтенсивності їх прояви створюють емпіричну основу для гіпотез, що стосуються явищ і процесів у затінках планети.
Нижче розглянемо, як геофізичні рубежі співвідносні з одержаними у останнім часом результатами структурні зміни мінералів під впливом високого тиску і температур, значення відповідають умовам земних глибин.
Склад верхньої мантії
Проблема складу, структури та мінеральних асоціацій глибинних земних оболонок чи геосфер, звісно, ще далекою від своє рішення, проте нові експериментальні результати і ідеї істотно розширюють і деталізувають відповідні уявлення.
Відповідно до сучасним поглядам, у складі мантії переважає порівняно невеличка група хімічних елементів: Si, Mg, Fe, Al, Ca і Про. Запропоновані моделі складу геосфер насамперед грунтуються на відмінності співвідношень зазначених елементів (варіації Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), і навіть на різному змісті Al та інших більш рідкісних для глибинних порід елементів. Відповідно до хімічним і минералогическим складом ці моделі отримали свої назви: пиролитовая (головні мінерали - оливин, пироксены і гранат щодо 4 : 2 : 1), пиклогитовая (головні мінерали - піроксени і гранат, а частка олівіну знижується до 40%) і эклогитовая, у якій поруч із властивій эклогитов пироксен-гранатовой асоціацією присутні і пояснюються деякі рідше мінерали, зокрема Al-содержащий кианит Al2SiO5 (до 10 вагу. %). Однак ці петрологические моделі ставляться насамперед до породам верхньої мантії, простирающейся до глибин ~670 км. Що стосується валового складу глибших геосфер лише допускається, що безпосереднє відношення оксидів двовалентних елементів (МО) до кремнезему (МО/SiO2) ~ 2, опиняючись ближчі один до оливину (Mg, Fe)2SiO4, ніж до пироксену (Mg, Fe)SiO3, серед мінералів переважають перовскитовые фази (Mg, Fe)SiO3 з різними структурними спотвореннями, магнезиовюстит (Mg, Fe)O зі структурою типу NaCl та інших фази значно менших кількостях.
Усі запропоновані моделі дуже узагальнені і гипотетичные. Пиролитовая модель верхньої мантії з величезним переважанням олівіну передбачає її значно більшу близькість за хімічним складом з усією глибшої мантією. Навпаки, пиклогитовая модель передбачає існування певного хімічного контрасту між верхньої й іншою мантіями. Більше приватна эклогитовая модель допускає присутність у верхньої мантії окремих эклогитовых лінз та блоків.
Велике зацікавлення є спроба узгодити структурно-минералогические і геофізичні дані, які стосуються верхньої мантії. Вже близько 20 років допускається, що передвиборне збільшення швидкостей сейсмічних хвиль на глибині ~410 км переважно пов'язаний із структурної перебудовою олівіну a-(Mg, Fe)2SiO4 в вадслеит b-(Mg, Fe)2SiO4, сопровождающейся освітою більш щільною фази з більшими на значеннями коефіцієнтів пружності. Відповідно до геофизическим даним, на таких глибинах у надрах Землі швидкості сейсмічних хвиль зростають на 3-5%, тоді як не структурна перебудова олівіну в вадслеит (відповідно до значеннями їх модулів пружності) має супроводжуватись збільшенням швидкостей сейсмічних хвиль приблизно за 13%. Разом про те результати експериментальних досліджень олівіну і суміші оливин-пироксен при високих температур і тисках виявили повне збіг розрахованого і експериментального збільшення швидкостей сейсмічних хвиль в інтервалі глибин 200-400 км. Оскільки оливин має приблизно такою самою пружністю, як і высокоплотные моноклинные пироксены, ці дані мала б вказувати на виправдатись нібито відсутністю складі нижележащей зони граната, котра володіє високою пружністю, присутність що його мантії неминуче викликало значніше збільшення швидкостей сейсмічних хвиль. Але ці ставлення до безгранатовой мантії брали в протиріччя з петрологическими моделями її складу.
Так виникла думка у тому, що стрибок в швидкостях сейсмічних хвиль на глибині 410 км пов'язаний переважно з структурної перебудовою пироксен-гранат всередині збагачених Na частин верхньої мантії. У такій моделі передбачає майже повну відсутність конвекції у верхній мантії, що суперечить сучасним геодинамическим уявленням. Подолання цих протиріч можна пов'язати з недавно запропонованої повнішої моделлю верхньої мантії, допускає входження атомів заліза і водню до структури вадслеита.
Тоді як поліморфний перехід олівіну в вадслеит не супроводжується зміною хімічного складу, у присутності граната виникає реакція, яка веде до утворення вадслеита, збагаченого Fe проти вихідним оливином. Понад те, вадслеит може містити значно більше, порівняно з оливином атомів водню. Участь атомів Fe і М у структурі вадслеита приводить до зменшення її жорсткості і зменшенню швидкостей поширення сейсмічних хвиль, проходять крізь цей мінерал.
З іншого боку, освіту збагаченого Fe вадслеита передбачає залучення в відповідну реакцію великої кількості олівіну, що має супроводжуватись зміною хімічного складу порід поблизу розділу 410. Ідеї про ці трансформаціях підтверджуються сучасними глобальносейсмическими даними. У цілому нині мінералогічний склад цієї маленької частини верхньої мантії видається більш більш-менш ясним. Якщо казати про пиролитовой мінеральної асоціації (табл. 1), що його перетворення до глибин ~800 км досліджувана досить докладно й у узагальненому вигляді представлене рис. 2. У цьому глобальної сейсмічної кордоні на глибині 520 км відповідає перебудова вадслеита b-(Mg, Fe)2SiO4 в рингвудит - g-модификацию (Mg, Fe)2SiO4 зі структурою шпінелі. Трансформація піроксени (Mg, Fe)SiO3 гранат Mg3(Fe, Al, Si)2Si3O12 ввозяться верхньої мантії ширшому інтервалі глибин. Отже, вся щодо гомогенна оболонка в інтервалі 400-600 км верхньої мантії переважно містить фази зі структурними типами граната і шпінелі.
Усі запропоновані час моделі складу мантийных порід допускають вміст у них Al2O3 у кількості ~4 вагу. %, яка також впливає специфіку структурних перетворень. У цьому відзначається, що у окремих галузях неоднорідною за складом верхньої мантії Al зосереджена в мінералах, як корунд Al2O3 чи кианит Al2SiO5 , який за тисках і температурах, cответствующих глибинам ~450 км, трансформується на корунд і стишовит - модифікацію SiO2, структура якої містить каркас з SiO6 октаэдров. Обидва ці мінералу зберігаються у низах верхньої мантії, а й глибше.
Найважливіший компонент хімічного складу зони 400-670 км - вода, утримання, за деякими оцінками, становить ~0,1 вагу. % і наявність якої у першу чергу пов'язують із Mg-силикатами. Кількість запасеної у цій оболонці води настільки значна, що у Землі воно становило б шар потужністю 800 м.