Мантия и ядро. Тепловые явления

Мантия и ядро. Верхняя мантия (1) состоит из тонкого жесткого верхнего слоя (от поверхности Мохоровичича до глубины примерно 60-100 км), слоя астеносферы (до глубины 250-350 км) и мощного нижнего слоя (до 800-950 км).

Толщина земной коры неодинакова - от 70-75 км под высокими горами до 6-8 км под морским дном. Вместе с самой верхней частью мантии она образует жесткую литосферу (1) перекрывающую пластичный слой астеносферу (2), по которой плиты литосферы могут дрейфовать в боковом направлении. Верхняя мантия (3) уходит на глубину до 950 км, где она граничит с подстилающей ее нижней мантией (4). Мантия состоит из перидотита, который в астеносфере близок к точке плавления. Такое представление объясняет снижение скорости сейсмических волн на этих глубинах и не противоречит теории тектоники плит. Повышение плотности вещества в нижней мантии, как полагают, обусловлено не изменением его химического состава, а увеличением давления, ведущим к более плотной упаковке атомов.

Мантия отделена от внешнего ядра (6) поверхностью раздела, на которой меняются скорости распространения сейсмических волн, - разделом Гутенберга (5). Скорость P-волн падает здесь от 14 до 8 км/с, а S-волны в пределах внешнего ядра вообще не передаются. Эти наблюдения указывают на жидкое состояние внешнего ядра. Плотность скачкообразно возрастает от 5,5 г/см³ для вещества нижней мантии до 10 г/см³ во внешнем ядре, где она повышается далее к центру до 12 или 13 г/см³. Хотя ядро составляет только 16% объема Земли, оно заключает в себе 23% ее массы. Предполагают, что ядро состоит из железа и никеля. На границе внешнего и внутреннего ядра (7) скорость P-волны обнаруживает еще один скачок; в центре Земли, в ее твердом внутреннем ядре (8) скорость распространения P-волн увеличивается.

Верхний слой вместе с вышележащей корой образует жесткую оболочку-литосферу, которая делится на плиты. Эти плиты дрейфуют в латеральном (боковом) направлении по астеносфере, где давление и температура почти достигают точки плавления, вследствие чего материал астеносферы, по-видимому, находится в состоянии, близком к текучему. Верхняя мантия отделена от нижней мантии зоной, для которой характерны пониженные скорости прохождения сейсмических волн по сравнению с выше- и нижележащими слоями. Это слой Гутенберга, установленный ученым в 1914 г. Полагают, что мантия Земли имеет главным образом перидотитовый состав; кроме того, в ней появляются дополнительно минералы с высокой плотностью, возникшие под воздействием огромного давления перекрывающих пород слоями.

Между нижней мантией и ядром на глубине 2900 км располагается еще одна граница раздела, где плотность подскакивает от 5,5 до 10 г/см² Само ядро разделено на глубине 5150 км на внешнюю и внутреннюю зоны, которые, как считают, состоят из железоникелевого сплава. Предполагается, что внешняя зона находится в жидком состоянии, так как она задерживает сейсмические S - волны (поперечные, или волны сдвига), тогда как внутренняя зона, вероятно, является твердой, поскольку Р-волны (продольные, или волны сжатия) распространяются в ней несколько быстрее. Плотность меняется на границе между внешним и внутренним ядром от 12,3 до приблизительно 13,3 г/см³ и повышается до 13,6 г/см² в центре Земли, т. е. на глубине 6371 км.

Метеориты, достигающие поверхности Земли, дают нам ключ к пониманию состава внутренней части нашей планеты. Они бывают железными и каменными, их количественное соотношение более или менее соответствует соотношению масс мантии и ядра Земли. Возможно, метеориты представляют собой остатки какой-то планеты, аналогичной по своему строению Земле, но давно переставшей существовать.

Тепловые явления. Количество тепла, из глубин достигающее поверхности Земли, может быть представлено в виде профиля теплового потока (2). От поверхности Земли к основанию коры температура повышается примерно до 375°С, в пределах верхней мантии - до 800°С (на глубине 50 км), в пределах нижней мантии-предположительно до 1800°С (на глубине 1000 км) и до 2250°С (на глубине 2000 км). У границы между мантией и ядром (на глубине 2900 км) температура может составлять 2500°С, в центре ядра - около 3000°С.

Тепло переносится к поверхности посредством конвекции и теплопроводности. В твердых слоях главную роль, вероятно, играет теплопроводность пород, в жидких - конвекция.