Состав и строение глубоких недр Земли

Земля дифференцирована на металлическое ядро, силикатную мантию и тонкую кору — слоистую структуру, выведенную путем объединения сейсмических профилей с данными о поведении минералов на глубине.

Definition

Состав и строение глубоких недр Земли относятся к химическому составу и слоистой физической организации внутренней части планеты, включающей богатое железом ядро, силикатную мантию и кору, что выводится из моделей сейсмических скоростей и плотности в сочетании с минеральной физикой и геохимией.

Scope

Эта тема охватывает химический состав и физическое строение глубоких недр Земли: основные слои и границы между ними, железосодержащее ядро с его жидкой и твердой частями, силикатную мантию и ее подразделения, связанные с фазовыми переходами, а также сейсмически отличимую нижнюю мантию. Рассматриваются референсные модели Земли по плотности и скорости, соотношение Адамса-Уильямсона и закон Бирча, связывающие скорость с плотностью и составом, а также геохимические и космохимические ограничения на общий состав. Акцент делается на том, из чего состоят глубокие недра Земли и как они расположены.

Core questions

• Каковы основные слои Земли и границы между ними?
• Из чего состоит ядро и почему часть его твердая, а часть жидкая?
• Как фазовые переходы подразделяют мантию?
• Как сейсмическая скорость и плотность используются для определения состава?

Key concepts

• Дифференциация коры, мантии и ядра
• Жидкое внешнее ядро и твердое внутреннее ядро
• Мантийная переходная зона и фазовые изменения
• Референсные модели Земли по плотности и скорости
• Закон Бирча и соотношение Адамса-Уильямсона

Key theories

Референсные модели Земли

Сферически усредненные модели, такие как PREM, компилируют сейсмическую скорость, плотность и затухание как функции глубины, определяя основные слои и служащие количественной основой для интерпретации структуры глубоких недр Земли.

Закон Бирча и состав

Эмпирическое соотношение Бирча между сейсмической скоростью и плотностью при фиксированном среднем атомном весе позволяет переводить упругие свойства, измеренные сейсмологией, в ограничения на состав и состояние глубоких недр.

Mechanisms

В начале своей истории Земля дифференцировалась: плотное железо опускалось, образуя ядро, в то время как более легкие силикаты поднимались, формируя мантию и кору; сейсмические скорости и скачки плотности отмечают границы между этими слоями и фазовые переходы, вызванные давлением внутри мантии, а сопоставление этих данных с упругими свойствами предполагаемых минералов и металлов, руководствуясь законом Бирча и составом метеоритов, позволяет определить вероятный состав каждой оболочки.

Clinical relevance

Знание состава и строения недр лежит в основе моделей мантийной конвекции, геодинамо и термической и химической эволюции Земли, а также обеспечивает эталонную основу для определения местоположения землетрясений и интерпретации сейсмической томографии.

History

Сейсмология начала XX века выявила ядро и мантию, Леманн обнаружила внутреннее ядро в 1936 году, Буллен подразделил недра на обозначенные оболочки, Бирч связал скорость с составом в 1952 году, а в 1981 году Предварительная Референсная Модель Земли синтезировала эти данные в стандартную радиальную модель, используемую до сих пор.

Key figures

• Inge Lehmann
• Francis Birch
• Adam Dziewonski
• Keith Bullen

Seminal works

• dziewonski1981
• birch1952
• stacey2008

Frequently asked questions

Каковы основные слои Земли?

Снаружи внутрь Земля имеет тонкую каменистую кору, толстую силикатную мантию, составляющую большую часть ее объема, жидкое богатое железом внешнее ядро и твердое внутреннее ядро; они различаются по своему составу и по тому, как сейсмические волны изменяют скорость при пересечении границ между ними.

Почему внешнее ядро жидкое, а внутреннее — твердое?

Оба состоят в основном из железа, но хотя температура увеличивается с глубиной, давление увеличивается еще быстрее; на достаточно большой глубине очень высокое давление повышает температуру плавления железа выше местной температуры, поэтому внутреннее ядро твердое, в то время как несколько более мелкое, более холодное (относительно своей температуры плавления) внешнее ядро остается жидким.