Строение и состав верхней мантии Земли

1. Введение

   Геология (греч. "гео" - земля, "логос" - учение) - одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук - математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о Земле -геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией (ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли. Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе - геоморфология фактически является также пограничной наукой.

   Одним из нескольких основных направлений  в геологии является изучение вещественного  состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного  расплава и называются магматическими или изверженными, другие - путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными;третьи - за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими.

2. Строение и состав верхней мантии Земли

     Состав и строение глубинных оболочек Земли в последние десятилетия  продолжают оставаться одной из наиболее интригующих проблем современной  геологии. Проблема состава, структуры и минеральных ассоциаций глубинных земных оболочек или геосфер, конечно, еще далека от окончательного решения, однако новые экспериментальные результаты и идеи существенно расширяют и детализируют соответствующие представления

    Согласно  современным взглядам, в составе  мантии преобладает сравнительно небольшая  группа химических элементов: Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Предлагаемые модели состава геосфер в первую очередь основываются на различии соотношений указанных элементов (вариации Mg/(Mg + Fe) = 0,8-0,9; (Mg + Fe)/Si = 1,2Р1,9), а также на различиях в содержании Al и некоторых других более редких для глубинных пород элементов. В соответствии с химическим и минералогическим составом эти модели получили свои названия: пиролитовая (главные минералы - оливин, пироксены и гранат в отношении 4 : 2 : 1), пиклогитовая (главные минералы - пироксен и гранат, а доля оливина снижается до 40%) и эклогитовая, в которой наряду с характерной для эклогитов пироксен-гранатовой ассоциацией присутствуют и некоторые более редкие минералы, в частности Al-содержащий кианит Al2SiO5 (до 10 вес. %). Однако все эти петрологические модели относятся прежде всего к породам верхней мантии, простирающейся до глубин ~670 км. В отношении валового состава более глубоких геосфер лишь допускается, что отношение оксидов двухвалентных элементов (МО) к кремнезему (МО/SiO2) ~ 2, оказываясь ближе к оливину (Mg, Fe)2SiO4, чем к пироксену (Mg, Fe)SiO3, а среди минералов преобладают перовскитовые фазы (Mg, Fe)SiO3 с различными структурными искажениями, магнезиовюстит  (Mg, Fe)O со структурой типа NaCl и некоторые другие фазы в значительно меньших количествах.

    Все предложенные модели весьма обобщенные и гипотетичные. Пиролитовая модель верхней мантии с преобладанием  оливина предполагает ее значительно  большую близость по химическому  составу со всей более глубокой мантией. Наоборот, пиклогитовая модель предполагает существование определенного химического  контраста между верхней и  остальной мантиями. Более частная  эклогитовая модель  допускает  присутствие в верхней мантии отдельных эклогитовых линз и  блоков.

    Большой интерес представляет попытка согласовать  структурно-минералогические и геофизические  данные, относящиеся к верхней  мантии. Уже около 20 лет допускается, что увеличение скоростей сейсмических волн на глубине ~410 км преимущественно  связано со структурной перестройкой оливина a-(Mg, Fe)2SiO4 в вадслеит b-(Mg, Fe)2SiO4, сопровождающейся образованием более  плотной фазы с большими значениями коэффициентов упругости. Согласно геофизическим данным, на таких глубинах в недрах Земли скорости сейсмических волн возрастают на 3-5%, тогда как  структурная перестройка оливина  в вадслеит (в соответствии со значениями их модулей упругости) должна сопровождаться увеличением скоростей сейсмических волн примерно на 13%. Вместе с тем  результаты экспериментальных исследований оливина и смеси оливин-пироксен при высоких температурах и давлениях  выявили полное совпадение рассчитанного  и экспериментального увеличения скоростей  сейсмических волн в интервале глубин 200-400 км. Поскольку оливин обладает примерно такой же упругостью,  как и высокоплотные моноклинные пироксены, эти данные должны были бы указывать на отсутствие в составе нижележащей зоны граната, обладающего высокой упругостью, присутствие которого в мантии неизбежно вызвало бы более значительное увеличение скоростей сейсмических волн. Однако эти представления о безгранатовой мантии вступали в противоречие с петрологическими моделями ее состава.

    Таблица 1. Минеральный состав пиролита (по Л. Лиу, 1979) 

    Так появилась идея о том, что скачок в скоростях сейсмических волн на глубине 410 км связан в основном со структурной  перестройкой пироксен-гранат внутри обогащенных Na частей верхней мантии. Такая модель предполагает почти  полное отсутствие конвекции в верхней  мантии, что противоречит современным  геодинамическим представлениям. Преодоление  этих противоречий можно связать  с недавно предложенной более  полной моделью верхней мантии [2], допускающей вхождение атомов железа и водорода в структуру вадслеита.

    В то время как полиморфный переход  оливина в вадслеит не сопровождается изменением химического состава, в  присутствии граната возникает  реакция, приводящая к образованию  вадслеита, обогащенного Fe по сравнению  с исходным оливином. Более того, вадслеит может содержать значительно  больше по сравнению с оливином атомов водорода. Участие атомов Fe и Н  в структуре вадслеита приводит к уменьшению ее жесткости и соответственно уменьшению скоростей распространения сейсмических волн, проходящих сквозь этот минерал.

    Кроме того, образование обогащенного Fe вадслеита  предполагает вовлечение в соответствующую  реакцию большего количества оливина, что должно сопровождаться изменением химического состава пород вблизи раздела 410. Идеи об этих трансформациях подтверждаются современными глобальносейсмическими данными. В целом минералогический состав этой части верхней мантии представляется более или менее  ясным. Если говорить о пиролитовой  минеральной ассоциации (табл. 1), то ее преобразование вплоть до глубин ~800 км исследовано достаточно детально и в обобщенном виде представлено на рис. 2. При этом глобальной сейсмической границе на глубине 520 км соответствует  перестройка вадслеита b-(Mg, Fe)2SiO4 в  рингвудит - g-модификацию (Mg, Fe)2SiO4 со структурой шпинели. Трансформация пироксен (Mg, Fe)SiO3 гранат Mg3(Fe, Al, Si)2Si3O12 осуществляется в верхней мантии в более широком  интервале глубин. Таким образом, вся относительно гомогенная оболочка в интервале 400-600 км верхней мантии в основном содержит фазы со структурными типами граната и шпинели.

    Все предложенные в настоящее время  модели состава мантийных пород  допускают содержание в них Al2O3 в  количестве ~4 вес. %, которое также  влияет на специфику структурных  превращений. При этом отмечается, что  в отдельных областях неоднородной по составу верхней мантии Al может  быть сосредоточен в таких минералах, как корунд Al2O3 или кианит Al2SiO5 , который  при давлениях и температурах, cответствующих глубинам ~450 км, трансформируется в корунд и стишовит - модификацию SiO2, структура которой содержит каркас из SiO6 октаэдров. Оба этих минерала сохраняются не только в низах  верхней мантии, но и глубже.

    Важнейший компонент химического состава  зоны 400-670 км - вода, содержание которой, по некоторым оценкам, составляет ~0,1 вес. % и присутствие которой в первую очередь связывают с Mg-силикатами [3]. Количество запасенной в этой оболочке воды столь значительно, что на поверхности Земли оно составило бы слой мощностью 800 м.  

3. Основные  процессы химического  выветривания. Примеры  природного химического  преобразования минералов.

     Горные  породы, слагающие земную кору, подвергаются денудации в результате их предварительного выветривания. Этот процесс приводит к появлению рыхлых (дисперсных) новообразований зоны гипергенеза, существенно отличных по своим физическим свойствам от исходных коренных пород.

     Выветривание — это разрушение пород на земной поверхности и их превращение в продукты, которые являются более устойчивыми в новых физико-химических условиях. Многие породы первоначально образовывались при высоких давлениях и температурах и при отсутствии воды и воздуха. Продукты выветривания  могут сильно различаться по составу, и даже те из них, которые при одних условиях являются устойчивыми, при изменении условий могут стать неустойчивыми.

Химическое  выветривание и его  основные процессы 

      Разрушению  горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязь различных форм единого процесса выветривания. Физическая дезинтеграция резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания — вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (Н⁺) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН^-). Это определяет ее возможность вступать в реакцию с кристаллическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания.

      Особенно  возрастает интенсивность химического  выветривания, когда в водном растворе присутствуют кислород, углекислота  и органические кислоты, которые  обладают большой активностью и  во много раз повышают диссоциацию  воды. В зависимости от реакции  среды в процессе выветривания возникают  те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные  условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно в тропических и субтропических зонах, где имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры, пышной растительности и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате чего значительно возрастает концентрация углекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Химическое воздействие на горные породы оказывают находящиеся в воде растворенные ионы, такие, как НСО₃^—. SO^-4, С1^-, Са⁺, Mg⁺, Na⁺, К⁺. Эти ионы также могут замещать. заряженные атомы в кристаллах или взаимодействовать с ними,. что может приводить к нарушению первичной кристаллической структуры минералов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении, гидролизе.

      Окисление. Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Направленность этого процесса можно схематически изобразить следующим образом:

      FeS₂+nO₂+mH₂О®FeSO₄®Fe₂(SO₄)₃ ®Fe₂O₃žnH₂O.

                                     пирит                     сульфат  сульфат      бурый железняк

                                                                      закиси     окиси        (лимонит)  

                                                                      железа     железа 

      На  первой стадии получаются сульфат закиси железа и серная кислота (1^2804). Наличие серной кислоты значительно усиливает интенсивность выветривания, способствует дальнейшему разложению минералов. На второй стадии сульфат закиси железа переходит в сульфат окиси железа. Последний в свою очередь оказывается неустойчивым и под действием кислорода и воды -переходит в водную окись железа — бурый железняк. Бурый железняк фактически представляет собой сложный минеральный агрегат близких по составу минералов гётита (FeO·OH) и гидрогётита (FeO·OH·nH₂O). На поверхности ряда месторождений сульфидных руд и других железосодержащих минералов наблюдается “бурожелезняковая шляпа”, возникшая в результате одновременных окисления и гидратации. Местами при недостаточном количестве влаги образуются бедная водой окись железа, гидрогематит (Fe₂O₃·H₂O). В результате процессов окисления магнетит переходит в гематит, как это имеет место в районе КМА. Гематит образуется и при окислении таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы, под действием воды, кислорода и углекислоты. Направленность реакции следующая:

      (Mg, Fe)₂[SiO₄]®Fe₂O₃+nMg(HCO₃)₂+mH₄SiO₄.

                                                      оливин      гематит растворимый  растворимая

                                                                                        бикарбонат   кремнекислота