ГЕОТЕКТОНИКА, 2008, № 1, с. 3-11
УДК 551.24/551.311
СРЕДНЯЯ МАНТИЯ ЗЕМЛИ
© 2008 г. Ю. М. Пущаровский1, Д. Ю. Пущаровский2
Геологический институт РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7 2Московский государственный университет, геологический факультет, 119991, Москва, Воробьевы горы
Поступила в редакцию 10.05.2007 г.
Средняя мантия, как обособленная геосфера, была выделена Ю.М. Пущаровским в 1995 г. Ее граничные рубежи 840 и 1700 км. В предлагаемой статье характеризуются строение, энергетика, тектоника средней мантии и присущие ей минеральные преобразования. Определяющим критерием обособления данной геосферы явились особенности распределения в ней сейсмонеоднородностей, установленных сейсмотомографией. Средняя мантия от других геосфер отличается большими размерами ареалов сейсомнеоднородностей, особенно областей пониженных и средних значений скоростей сейсмических волн. Высокоскоростные неоднородности имеют округло-овальные формы, размеры которых могут достигать в отдельных случаях тысяч км. Распространение таких ареалов неравномерное, оно меняется от одного глубинного уровня к другому. Характерна весьма значительная контрастность разноскоростных аномальных областей по латерали, она может составлять сотни км.
Фиксируется существенная специфика в общей картине среднемантийных аномалий в Тихоокеанском и Индо-Атлантическом сегментах Земли, отражающая историко-геологическое различие последних. Анализ неоднородностей в тектоническом аспекте позволяет сделать заключение о большой роли в их образовании тектонического течения мантийных масс, выраженного в сдвигово-на-двиговой тектонике.
Средняя мантия характеризуется существенными особенностями минерального состава, в котором доминирует М^БЮз с ромбически искаженной перовскитовой структурой. Среди присущих ей минеральных преобразований следует выделить трансформацию стишовита в постстишовитовую модификацию на глубине ~1500 км, а также арагонита в постарагонитовую фазу с оригинальной структурой на глубине ~1050 км. В пределах средней мантии допускается и изменение электронной структуры щелочных катионов. Тем самым минералогическая геохимия подчеркивает обоснованность выделения средней мантии как самостоятельной геосферы.
ВВЕДЕНИЕ
Сейсмотомография в полный рост поставила проблему геологической сущности выявленных ею в мантии Земли сейсмонеоднородностей. В распоряжении геологов оказались карты неоднородностей, построенные для разных глубинных уровней мантии, а также разрезы для некоторых ее областей. Анализ распределения аномальных ареалов для разных условий открыл возможность более дробного расчленения мантии на глубинные геосферы, чем традиционное выделение в ней только верхней и нижней мантии.
Более того, существенно возросший объем работ в области экспериментальной минералогии обогатил знания о минеральных преобразованиях при разных давлениях и температурах.
Наконец, сейсмические исследования выявили ряд новых сейсмограниц, как глобальных, так и региональных. Учитывая все эти новации, была предложена и в серии публикаций разработана новая схема расчленения мантии, состоящая из шести геосфер, первый вариант которой изобра-
жен на рис. 1 [5]1. До нее имелась схема деления на зоны всей Земли, предложенная К.Е. Булле-ном в 60-х-70-х гг. [1, 2]. В мантии он выделял три зоны: 33-413 км (B), 413-984 км (C), 984-2898 км (D). Позднее зона D была им разделена на зону D' (984-2700 км) и зону D'' (2700-2900 км). Можно видеть большое отличие в расчленении мантии схем Буллена и нашей. В литературу из схемы Буллена вошли два подразделения: "B" и слой D''.
Главное звено в предложенной нами схеме -обособление мощной средней мантии, характеристике которой и посвящена данная статья.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ, ГЕОДИНАМИКИ И ТЕКТОНИКИ СРЕДНЕЙ МАНТИИ
Средняя мантия выделяется в интервале глубин ~840-1700 км. Соответственно ее мощность
1 Понятие "средняя мантия" в данной схеме вводится впер-
вые (1995). В дальнейшем оно получило распространение в публикациях ряда других авторов, например, помещенных в журнале "Earth and Planetary Science Letters": см. 118 (2000) 135-148; 214 (2003) 143-151 и др.
км 0
400 800
1200 1600
2000
2400
1800 3000
Кора
-
Мощность, км
Верхняя мантия
Зона раздела I
Средняя мантия
Зона раздела II
Нижняя мантия
Ядро
650
170
900
500
650
Рис. 1. Схема строения мантии Земли, по данным сей-смотомографии. Возможные отклонения в мощности геосфер ±10%
приближается к 900 км. От верхней мантии ее отделяет зона раздела I, мощностью порядка 170 км, отличающаяся более сложным внутренним строением, чем нижележащая геосфера. Рубеж между этими геосферами проходит на глубинах 840870 км. Но в каких-то местах возможны и большие глубины, что легко объясняется тем, что обмен веществом и энергией между геосферами в открытых системах происходит с отклонением от строгой линейности.
Нижнюю границу средней мантии представляет сейсмический уровень "1700", ниже которого лежит геосфера, названная "разделом II", отличающаяся, как и "раздел I", более частой перемежаемостью ареалов сейсмоаномалий. Мощность этой зоны около 500 км. Глубже нее, в интервале 2200-2900 км, находится нижняя мантия.
Обратимся к сейсмоструктуре средней мантии. Особенности этой структуры на разных глубинных уровнях отчетливо проявлены на картах ареалов сейсмоаномалий (рис. 2, 3) [18, 21, 36]. Относительно сопредельных геосфер средняя мантия характеризуется большими размерами площадей неоднородностей, особенно областей средних и пониженных скоростей. Их можно воспринимать
как фон, на котором рассеяны относительно высокоскоростные округло-овальные формы, размеры которых могут достигать тысяч км. Распространение их неравномерное и меняется от одного глубинного уровня к другому. Расстояния между уровнями, отображенными на картах, 250300 км. Наиболее контрастных высокоскоростных ареалов насчитывается 10-20. В основном они приурочены к уровню "900", то есть фактически к зоне, разделяющей геосферу "раздел I" и среднюю мантию.
О масштабах контрастности неоднородностей в латеральном направлении можно судить по температурным контрастам между областями холодной и горячей мантии. Компьютерные решения на этот счет содержатся в работе [25]. Они рассчитаны для разных глубинных уровней. На глубинах непосредственно ниже подошвы верхней мантии различия температур могут достигать ~550 К, на уровне 1000 км - 800 К, 2000 км -1500 К, на границе ядро-мантия —2000 К или даже несколько больше. Имеется публикация о том, каким образом происходит изменение температуры в зоне ядро-мантия в геологическом времени [31]. Результаты данного исследования отражены на рис. 4.
Сопоставляя карты, можно видеть различия в сейсмическом имидже средней мантии Тихоокеанского и Индо-Атлантического сегментов Земли [7]. Одна из примечательных особенностей первого из них заключается в некоторой неопределенности проявления современного Тихого океана, в то время как в верхней мантии и лежащих глубже средней мантии геосферах Пацифика прослеживается достаточно резко. Логика подсказывает, что в данном случае имело место воздействие на среднемантийную геосферу особого геодинамического фактора, вызвавшего макро-структурное ее преобразование. Таким фактором могло явиться возникновение внутримантийных энергетических очагов. Ниже мы еще вернемся к этой теме.
В средней мантии Индо-Атлантического сегмента сейсмонеоднородности имеют иной характер. Ареалы повышенных значений сейсмоско-ростей здесь более дробные. Обширные площади занимают области средних скоростей. Наиболее высокоскоростные полосы приурочены к западной части сегмента. Они узкие и простираются в субмеридиональном направлении. В Африканском регионе в среднюю мантию с больших глубин проходит большой объем масс, отличающийся низкими сейсмоскоростями. Наибольшую площадь он занимает в слое Б", будучи зафиксирован на уровне 2750 км [18]. В направлении к верхней части средней мантии данный тепломассопоток (плюм) становится все менее значительным. В Тихоокеанском сегменте наиболее устойчиво
Рис. 2. Сейсмонеоднородности средней мантии в Тихоокеанском сегменте Земли и сопредельных областях [36] д-з - глубинные уровни, км: д - 900, е - 1150, ж - 1450, з - 1750
Цифры на масштабной линейке - проценты отклонения от средних значений сейсмоаномалий
во времени ведет себя низкоскоростной ареал Южной Пацифики. В Атлантическом и Индийском океанах "корни" срединных хребтов в среднюю мантию не проникают. В Тихом океане Восточно-Тихоокеанское поднятие прослеживается в верхней части среднемантийной геосферы до глубин, превышающих 1000 км [36].
Перейдем к геологической сущности сейсмо-неоднородностей и к модели тектоно-геодинами-ческих процессов в глубинах мантии Земли.
Принимается, что сейсмоскоростные неоднородности отражают мантийные массы разной вязкости. Высокоскоростные аномалии присущи массам, имеющим повышенную вязкость; низкоскоростные - пониженную. Как те, так и другие образуются вследствие неравномерного воздействия на глубинные геосферы энергетических источников, что вызывает образование геодинамических градиентов, а отсюда и латеральное движение мантийного материала. Энергетические источники находятся в области земного ядра, но также в самой мантии. В последнем случае их зарождение вторично и связано с движением мантийных масс, выраженным в форме тектонического течения, представленного в основном сдви-гово-надвиговой тектоникой (рис. 5). В этом случае, в условиях огромных давлений и температур, из-за сил трения может возникнуть закрити-
ческое состояние систем, порождающее внутри-мантийный энергетический очаг. Вследствие латерального движения масс должны возникать ансамбли их тектонического скучивания в одних местах и участки рассредоточения в других, то есть высокоскоростные и низкоскоростные объемы.
По сравнению с другими мантийными геосферами, средняя мантия характеризуется относительно более умеренным развитием таких процессов. Тепловой режим в ней менее дифференцированный. Априори можно принять, что подобные процессы влияют на минеральные преобразования в мантии. В частности, они долж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.