Сочетание солидуса и адиабатических условий определяет жидкое или твердое состояние вещества Земли

Эти условия возникают, начиная с 2000 км (давление 890 Кбар) ,при температуре около 2730^оК и прослеживаются до поверхности ядра (рис.7.6). Дифференциация вещества нижней мантии, сопровождаемая появлением расплавов железа, подтверждается геофизическими данными. Начиная с глубин 2000 км, заметно возрастает затухание поперечных волн вплоть до их полного гашения в основании слоя Д¹¹, где мантия приобретает свойство маловязкой жидкости без плавления силикатов. Важно отметить, что в составе протовещества Земли главными формами железа являлись нейтральное (самородное) железо и железо, входившее в состав силикатов.

Процесс распада твердых растворов силикатов и связанное с ним выделение эвтектических расплавов Fe∙FeO продолжается и в настоящее время, что предопределяет масштабы генерации тепловой энергии Земли.По мере приближения к ядру процесс бародиффузии ускоряется, постепенно нарушаются жесткие связи между кристаллами силикатов и вблизи ядра отдельные выделения расплавленной окиси Fe₂O объединяются в пленки, обволакивающие кристаллы и зерна силикатов. Это приводит в итоге к дифференциации нижней мантии на твердые силикатные компоненты и расплавы окислов железа, стекающих в ядро.

Рис.4.6.Модель извлечения железа в основании мантии

И его стекание в ядро

Таким образом, переходный слой Д¹¹ играет особую роль в развитии Земли. Здесь, на границе мантии и ядра благодаря гравитационной дифференциации вещества, происходит его разделение на жидкие железные компоненты ядра и твердые силикатные компоненты мантии. Выделяемая тепловая энергия наряду с отделением более легких силикатных масс способствует возникновению восходящих конвективных потоков в мантии, обеспечивающих тепломассоперенос и дифференциацию вещества Земли.

Выводы:1.На границе внутреннего и внешнего ядра благодаря качанию внутреннего ядра его края попадают в разные термобарические условия,что приводит к плавлению на одном краю и кристаллизации железа на другом (рис. ). Результатом являются инверсии магнитного поля и многие другие геологические процессы и события.

2.На границе ядра и мантии в слое Д¹¹ происходит извлечение железа из твердых силикатов мантии,которое стекает в ядро и пополняет его массу.При этом выделяется огромное количество энергии.Именно здесь находится главная «печка»планеты.

Мантия Земли.На долю мантии приходится 83,2% объема и 67,77% массы Земли. Мантия играет особую роль в дифференциации вещества Земли при образовании ее оболочек. Состав мантии должен был постоянно меняться в соответствии с темпами роста ядра. Мысленно это можно представить как непрерывный процесс извлечения из мантии вещества, ушедшего на формирование железо-никелевого ядра.Этот процесс сепарации получил развитие в слое Д¹¹. Выше мантия остается твердой и только в астеносфере вновь получают развитие процессы плавления,о чем будет сказано выше.

Мантийные породы представлены широким спектром перидотитов. Среди них преобладают бесполевошпатовые ультраосновные породы. А.Рингвудом и Д.Грином предложено рассматривать породы верхней мантии в составе 75% перидотита (рестита) и 25% толеитового базальта – источника основных пород океанической коры.Такая порода исходной мантии названа пиролитом. Минеральный состав пиролита представлен оливином, ромбическим и моноклинным пироксеном и гранатом .

Эндогенные процессы в твердой мантии. Ниже астеносферы – источника базальтовых магм вплоть до границы с ядром породы мантии находятся в твердом состоянии, а потому в зависимости от термобарических условий в разрезе Земли, сохраняя свой валовый химический состав, испытывают преимущественно различные фазовые преобразования. Это отражается в нарастании плотности и упругости пород, а также в изменениях скоростей сейсмических волн. Причиной подобных изменений являются адиабатические условия в разрезе мантии, при которых солидусы минеральных смесей оказываются ниже установившихся термобарических обстановок на соответствующих интервалах разреза мантии.

Поэтому изменения физических свойств пород связаны преимущественно с процессами фазовых преобразований в структуре минералов, приводящих в итоге к образованию более плотной фазы с большими коэффициентами упругости. Эти показатели положены в основу разделения мантии на верхнюю и нижнюю (или среднюю и нижнюю).

Рис.4.7.Фазовые преобразования оливина в шпинель на границе между верхней и средней мантии на глубине 410-670 км

Намечается несколько таких уровней изменений. Важнейшими из них являются уровни 410,660-670 км. и ниже (рис. )Подобная стратификация секций разреза Земли имела огромное теоретическое значение в познании строения и развития земной коры и Земли в целом. Представления об астеносфере и литосфере, особенностях их строения, состава и истории развития являются базовыми в теории литосферных плит.Главной особенностью строения разреза верхней мантии, помимо выделения в ней астеносферы и мантийной части литосферы, является быстрое возрастание сейсмических волн с глубины 410 км. Отсюда до 660-670 км наиболее быстро возрастают скорости (до 11.3-11.4 км/сек) и плотность пород.Ф.Берг теоретически доказал, что причиной подобных изменений являются фазовые переходы перидотитового силикатного вещества в более плотные модификации за счет полиморфных преобразований. Это было подтверждено многими экспериментами поведения различных по составу минеральных смесей в условиях высоких давлений и температур.

Рис.4.8.Скоростная модель верхней мантии

Процессы распада силикатов на простые вещества, вероятно, являются главными в мантии. Доказательством этому послужили многие эксперименты по изучению поведения различных по составу минеральных смесей в условиях высоких давления и температуры, соответствовавших обстановкам на разных уровнях мантии. Примером является распад энстатита на форстерит и коэсит (MgSiO₃  Mg₂SiO₄ + SiO₂), шпинели на ильменит и коэсит (MgSiO₄  Mg₂SiO₃ + SiO₂), шпинели на ильменит и периклаз (MgSiO₄  Mg₂SiO₃ + MgO). Одновременно фазовые преобразования развивались за счет более плотной упаковки атомов. Например, коэсит - плотная форма SiO₂ превращается в стишовит-полиморфную модификацию с кремния. Кварц имеет плотность 2,53г/см³, коэсит-2,93г/см³, а стишовит (стиповерит) - 4,35г/см³. Полиморфные преобразования совершаются при разной температуре: гексагональный  кварц преобразуется в  кварц при температуре 573⁰С, тридимит-876⁰С, а кристобаллит - 1470⁰С. Обобщенная схема преобразований представлена на рис.4.9.

Рис.4.9.Изменение объемных соотношений минералов пиролита в разрезе верхней мантии (M.Akagi); Ol – оливин,Gar - гранат,Срх – моноклинные пироксены, Орх – ромбические пироксены, Ms – «модифицированная шпинель» или вадслеит (β-(Mg,Fe)₂SiO₄), Sp – шпинель, Mj – меджорит Mg₂(Fe,Al,Si)₂(SiO₄)₃, Mw – магнезиовюстит (Mg,FeO), Mg-Pv – Mg – перовскит, Ca-Pv – Ca – перовскит, Х – предполагаемые Al – содержащие фазы со структурами типа ильменита, Са – феррита и/или голландита.

Выводы.В твердой мантии главным эндогенным процессом являются реакции фазовых преобразований минералов,что сопровождается изменением форм их проявлений и вызывает изменение физических свойств твердой мантии,увеличение плотности и упругости пород.

Астеносфера - второй главный уровень процессов дифференциации вещества мантии.К числу важнейших геофизических границ в разрезе Земли относится поверхность М, разделяющая земную кору и мантию, где, как и по границе ядра и мантии, устанавливается изменение не только физического состояния вещества, но и его химического состава. И если процессы бародиффузной дифференциации низов мантии и отделение от нее жидкой фракции железа представляются достаточно простыми, то в верхней ее части дифференциация вещества развивается по более сложному сценарию, что отражается в необычайно сложном строении как самой верхней мантии, так и перекрывающей ее земной коры. Литосфера - конечный продукт происходящих в астеносфере процессов магматической дифференциации мантии.

П о наблюдениям за сейсмическими волнами установлено, что в океанах на глубине менее 50 км, а материках между 80 и 120 км скорость распространения волн падает по сравнению с вышележащей частью мантии. Снизу этот слой пониженных скоростей также ограничен сферой с большими сейсмическими скоростями. Благодаря отражению от этих поверхностей волны распространяются преимущественно внутри этого слоя. Поэтому он был назван сейсмическим волноводом. Его отожествляют с астеносферой.

Рис.4.10.Главные сейсмические границы