В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 28
Текст из файла (страница 28)
— М.: Мир, 1967; Белов Н.В. Очерки по структурной минералогии. — М.: Недра, 1976; Бокий Г.Б. Кристаллохимия. — М.: Наука, 1971.122дациты и др.); средние — ∼ 60% SiO2 (диориты, андезиты и др.); основные(базиты) — 45–55% SiO2 (высокое содержание Al, Са, Fe, Mg и небольшоеколичество Na и еще меньшее K; различного типа базальты); ультраосновные(ультра-базиты или гипербазиты) — 40% SiO2 .Мантия Земли состоит из ультрабазитов. Ультрабазиты характеризуются низким содержанием SiO2 , Аl2 O3 , Na2 O, К2 O и высоким содержанием MgO иFeO + Fe2 O3 . Важнейшими минералами в этих породах является оливин, ромбический и моноклинный пироксены, амфиболы, а плагиоклазы в них практически отсутствуют. Условно ультрабазиты можно разделить на три группы:1) пироксениты (в основном пироксеновые породы) и горнбленды (пироксеновые породы, в которых амфибол в значительной мере заместил пироксен),2) перидотиты — породы, состоящие из оливинов и пироксенов с преобладаниемоливина, 3) оливиниты и дуниты — существенно оливиновые породы.
Наибольшее значение имеют перидотиты. По минералогическому составу перидотитыразделяются на следующие группы: 1) пироксеновые — преобладающая разновидность, которая в свою очередь разделяется на: гарцбургиты (глубиннаягорная порода) — с ромбическим пироксеном, лерцолиты — с ромбическим имоноклинным пироксеном, верлиты — с моноклинным пироксеном; 2) роговообманковые, содержащие вместо пироксена (или вместе с ним) роговую обманку;3) плагиоклазовые, представляющие собой переход к оливиновым норитам илиоливиновым габбро; 4) слюдяные, содержащие темную слюду (флогопит илибиотит); 5) гранатовые (обычно пироповые) — встречаются главным образомв виде включений в кимберлитовых трубках.Очень важной проблемой является определение первичного состава недифференцированной мантии Земли.
По этому вопросу существует несколько подходов. Осознание дополнительности связи между базальтовыми магмами и многими ультраосновными горными породами с учетом того, что последние представляют собой тугоплавкие остатки при выплавлении базальта, позволило Рингвудув 1962 г. предложить в виде первичной мантийной породы пиролит. Таким образом, согласно современным представлениям первичная недифференцированнаясиликатная мантия Земли состояла из пиролита — условной пироксеново-оливиновой породы. Состав пиролита определяется тем условием, что при фракционном плавлении он дает базальтовую магму.
В пиролите отношение базальт/перидотит принято равным примерно 1/3. Комбинируя различные базальты с дополнительными ультрабазитами, получают несколько различающиесясоставы пиролита. Однако определенные разными способами пиролитовые составы находятся в хорошем согласии друг с другом. Некоторый средний составмантийного пиролита дан в табл. 3.
По поводу этого состава Рингвуд замечает,что, видимо, в нем несколько завышено содержание Аl2 O3 .123За время жизни Земли (∼ 4.6 ⋅лет) верхняя мантия претерпелаКораМГарцбургитзаметнуюэволюцию из-за частичногоМЛерцолитПеридотитрасплавления и гравитационной дифференциации с выделением земнойСкопление100коры.Грубо схематически химическиэклогитадифференцированная модель верхнеймантии показана на рис. 27.
Из-за того, что мощность коры континентов200Пиролитзначительно больше, чем на океанах,под ними перидотитовая зона с вкраплениями эклогита простирается на за300метно большую глубину. Под океаРис. 27. Химически дифференцированная нами толщина ультрабазитового слоямодель верхней мантии. М — граница Мо- мала, и не исключено, что пиролитхоровичича (Мохо)подходит к самой границе Мохоровичича.
В первом приближении можносчитать, что средний химический состав мантии везде одинаков, а океанические и континентальные области отличаются лишь степенью дифференциации.Континент109Глубина, кмОкеанТаблица 3Состав среднего мантийного пиролита по Рингвуду (в вес. %)SiO2MgOFeOFe2 O3Al2 O345.138.17.60.34.66.2.CaONa2 OCr2 O3TiO2NiO3.10.40.30.20.2MnOK2 OP2 O50.10.020.02—100.00Статические исследования6.2.1. Исследование базальтов. Земная кора сложена из гранитов и базальтов, т.е.
кислых и основных пород. Подкоровые породы и вся мантия Землисостоят из ультрабазитов. При высоких давлениях силикаты способны испытывать многочисленные фазовые переходы. В результате важнейшая порода —базальт — в различных условиях температур и давлений реализуется тремя типами минеральных ансамблей (рис. 28). Состав базальтов, показанных на рис.
28,дан в табл. 4, из которой также можно составить представление о вариацияхсостава в базальтах различного типа. В области низких давлений габбро илипироксеновый гранулит характеризуется наличием пироксена и плагиоклаза ±1243012Базальт Кварцевыйс большим толеитсодержаниемAl2O3∼17%3456Кварцевый Щелочно- Окисленный Оливиновыйтолеит, оливиновый щелочнотолеит,бедный базальт оливиновый бедныйщелочамибазальт щелочами25Давление, кбарЭклогит(гранат + пироксен ± кварц)2015Гранатовый гранулит(гранат + пироксен + плагиоклаз)105Габбро или пироксеновый гранулит(плагиоклаз + пироксен ± оливин ± шпинель)0Рис. 28.
Основные минеральные ансамбли некоторых базальтов как функция давленияпри 1100∘CТочки обозначают экспериментальные данныеоливин ± кварц ± шпинель в зависимости от конкретного химического состава1 . Область габбро характеризуется отсутствием гранатовых минералов2 .При возрастании давления наступает момент, когда гранат начинает входитьв минеральный ансамбль. При дальнейшем росте давления отношение плагиоклаз/гранат уменьшается. При последующем возрастании давления достигаетсясостояние, в котором исчезает плагиоклаз.
В этой точке берет начало минеральный ансамбль, соответствующий эклогиту — породе, в которой сосуществуютобогащенный пиропом [(Mg, Fe, Ca)3 (Al, Cr)2 Si3 O12 ] гранат и омфацитовыйпироксен (твердый раствор (Ca, Mg, Fe)2 Si2 O6 ⋅ NaAlSi2 O6 ) ± кварц. Диаграмма,показанная на рис. 28, соответствует температуре 1100∘ C. Наклон линии исчезновения плагиоклаза равен d p/dT = 20 бар/∘ C. Аналогичный градиент для1 Минерал плагиоклаз состоит из изоморфного ряда альбита Na[AlSi O ] и анортита3 8Са[Al2 Si2 O8 ].2 Группа граната состоит из обширного числа минералов с общей формулой A B [SiO ] , где3 24 3A = (Mg, Fe, Mn, Ca)+2 и B = (Al, Mn, Fe, Cr)+3 . Координационные числа катионов в структурегранатов больше или равны 6, а их структура представляет собой деформированную кубическуюплотнейшую упаковку кислородных ионов O−2 . Так, например переход энстатита в гранат дается реакцией 4MgSiO3 → Mg3 (MgSi) [SiO4 ]3 , при которой одна четвертая часть ионов кремнияповышает свое координационное число с 4 до ⩾ 6.125Таблица 4Химический состав базальтов, исследованныхГрином и Рингвудом (в вес.
%)SiO2TiO2Al2 O3Fe2 O3FeOMnOMgOCaONa2 OK2 OP2 O5Cr2 O3БазальтКварцевый Кварцевый Щелочно- Окисленный Оливиновыйс большимтолеиттолеит, оливиновый щелочнотолеит,содержаниембедныйбазальт оливиновый бедныйAl2 O3щелочамибазальтщелочами49.952.249.945.445.446.21.31.92.12.52.50.117.014.613.914.714.714.51.52.52.81.99.80.57.68.69.712.44.211.80.20.10.20.20.20.38.27.48.510.410.412.511.49.410.89.19.113.02.82.71.82.62.60.80.20.70.10.80.8——0.20.2————————0.2100.0100.0100.0100.099.7100.0нижней границы поля гранатового гранулита чуть меньше. Значение диаграммы,показанной на рис.
28, заключается в том, что она позволяет дать петрохимическую интерпретацию базальтовому слою земной коры.В свое время предполагалось, что природа границы Мохоровичича связанас фазовым переходом габбро – эклогит, однако на основе экспериментальныхданных, обобщением которых служит диаграмма рис. 28, эта гипотеза в настоящее время отвергается.6.2.2. Фазовые переходы в основных породообразующих минералах. Петрохимические исследования при высоких давлениях и температурах показали,что в верхней мантии до глубин 350–400 км вещество пиролитового состава (см. табл. 3) должно кристаллизоваться в форме минеральной ассоциации,содержащей оливин, пироксены и гранат.
В интервале глубин ∼ 150–400 кмустойчивая минеральная ассоциация пиролитового состава состоит из следующих минералов:Оливин (Mg, Fe)2 SiO4Ортопироксен (Mg, Fe)SiO3Омфацитовый клинопироксен(Са, Mg, Fe)2 Si2 O6 ⋅NaAlSi2 O6 (твердый раствор)Пироп (Mg, Fe, Са)3 (Аl, Cr)2 Si3 O12126Вес, %57171214В этих минералах кремний находится в четверной координации, а магний, железо и кальций в шестерной и восьмерной.
Молекулярное отношение Fe/(Fe +Mg) в пиролите составляет 11%. Главным минералом, входящим в ультраосновные породы, является оливин (Mg, Fe)2 SiO4 . Оливиновая гипотеза о составе Земли получила широкое распространение еще до второй мировой войны.На основе этой гипотезы были сделаны новые важные предположения. В 1936 г.английский физик Джон Берналл предположил, что с ростом давления обычныеоливины должны испытывать полиморфный переход и принимать структурушпинели. В структуре шпинели ионы кислорода О−2 , так же как и в оливинах,образуют плотнейшую упаковку, но только не гексагональную, а кубическуюгранецентрированную.
В результате плотность шпинелевой модификации возрастает на ∼ 11% по отношению к плотности оливиновой модификации.Гипотеза оливин-шпинелевого перехода была затем использована рядом геофизиков для объяснения зоны больших градиентов скоростей сейсмическихволн на глубинах 350–1000 км в переходной зоне C Земли (см. рис. 2). Однакодолгое время получить оливин-шпинелевый переход в лаборатории не удавалось. Впервые этот переход был обнаружен в 1958 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
