Астеносфера

Астеносфе́ра (от «бессильный» и «шар») — механически слабый и пластичный слой в верхней мантии планеты (в частности, Земли). Она располагается под литосферой на глубине от примерно 80 до 200 км под поверхностью и простирается вглубь до 700 км. Однако нижняя граница астеносферы не имеет чёткого определения. Её свойства позволяют литосферным плитам двигаться по ней, а также обеспечивает их изостатическое равновесие.

Астеносфера почти твёрдая, но небольшая степень плавления (менее 0,1% горной породы) способствует её механической слабости. Более масштабное декомпрессионное плавление астеносферы происходит там, где она поднимается вверх, и это является важнейшим источником магмы на Земле. Она служит источником базальтов срединно-океанических хребтов и некоторых магм, извергающихся над зонами субдукции или в регионах континентального рифтинга.

Иногда термин «астеносфера» также может относиться к зоне пониженных скоростей (ЗПС) сейсмических волн, хотя в общем эти понятия обозначают различные явления в верхней мантии Земли (нижняя граница ЗПС принята за 200–250 км, а астеносферы — до 700 км).

Описание

Астеносфера — это часть верхней мантии, расположенная непосредственно под литосферой, которая участвует в движении тектонических плит и изостатическом выравнивании. Она состоит из перидотита — горной породы, содержащей в основном минералы оливин и пироксен. Границу литосферы и астеносферы условно проводят по изотерме . Ближе к поверхности, при более низких температурах, мантия ведёт себя как жёсткое тело. Глубже под поверхностью, при более высоких температурах, мантия движется пластично. В астеносфере мантийная порода ближе всего подходит к точке своего плавления, и в этом слое, вероятно, присутствует небольшое количество расплава.

Сейсмические волны проходят через астеносферу относительно медленно по сравнению с вышележащей литосферной мантией. Поэтому её верхние области назвали зоной пониженных скоростей (ЗПС), хотя эти два понятия не совсем тождественны. ЗПС наблюдается как слой пониженной скорости сейсмических волн (слой Гутенберга) и повышенной электропроводности. В результате более низкой, чем в выше и ниже лежащих слоях скорости сейсмических волн ЗПС является для них каналом, подобным подводному звуковому каналу для звуковых волн в океанах (однако ЗПС активно поглощает энергию сейсмических волн, из-за чего часть их механической энергии со временем превращается в тепло).

Нижняя граница ЗПС находится на глубине от 180 до 220 километров, тогда как основание астеносферы залегает на глубине около 700 километров. ЗПС также обладает высоким затуханием сейсмических волн (сейсмические волны, проходящие через астеносферу, теряют энергию) и значительной анизотропией (сдвиговые волны, поляризованные вертикально, имеют меньшую скорость, чем сдвиговые волны, поляризованные горизонтально). Открытие ЗПС указало сейсмологам на существование астеносферы и дало некоторую информацию о её физических свойствах, поскольку скорость сейсмических волн снижается с уменьшением жёсткости. Это снижение скорости сейсмических волн при переходе от литосферы к астеносфере могло быть вызвано присутствием очень небольшого процента расплава в астеносфере, однако, поскольку астеносфера пропускает S-волны (сдвиговые волны), она не может быть полностью расплавленной.

В океанической мантии переход от литосферы к астеносфере находится на меньшей глубине, чем в континентальной мантии (около 60 км в некоторых старых океанических регионах), с резким и значительным падением скорости (5–10%). В срединно-океанических хребтах эта граница поднимается до уровня нескольких километров от дна океана.

Верхняя часть астеносферы представляет собой зону, по которой перемещаются огромные жёсткие и хрупкие литосферные плиты земной коры. Из-за температурных условий и давления в астеносфере горная порода становится пластичной, перемещаясь со скоростями деформации, измеряемыми в сантиметрах в год на линейных расстояниях, в конечном итоге достигающих тысяч километров. Таким образом, она течёт подобно конвективному потоку, излучая тепло наружу из недр Земли. Над астеносферой, при той же скорости деформации, порода ведёт себя упруго и, будучи хрупкой, может ломаться, образуя разломы. Считается, что жёсткая литосфера «плавает» или перемещается по медленно текущей астеносфере, обеспечивая изостатическое равновесие и позволяя литосферным плитам двигаться.

Границы

Астеносфера простирается от верхней границы, находящейся на глубине примерно от 80 до 200 км под поверхностью (по другим данным — 100—120 км под материками и 50-60 км под океанами), до нижней границы на глубине примерно 700 километров.

Граница литосферы и астеносферы Граница литосферы и астеносферы (также называемая LAB) является относительно резкой и, вероятно, совпадает с началом частичного плавления, либо с изменением состава или анизотропии. Различные определения этой границы отражают разные аспекты пограничной области.

Помимо механической границы, определяемой по сейсмическим данным, которая отражает переход от жёсткой литосферы к пластичной астеносфере, к ним относятся:

тепловой пограничный слой, выше которого тепло переносится за счёт теплопроводности, а ниже которого теплопередача происходит преимущественно конвективным путём; реологическая граница, где вязкость падает ниже значения около 1021 Па⋅с; химический пограничный слой, выше которого мантийная порода обеднена летучими веществами и обогащена магнием по сравнению с нижележащей породой.

Нижняя граница астеносферы Нижняя граница астеносферы, верхняя часть предварительно выделяемой мезосферы или мезосферной оболочки, определена менее чётко, но её относят к основанию верхней мантии. Эта граница не является сейсмически резкой и изучена недостаточно хорошо, но она приблизительно совпадает со сложным разрывом на глубине 670 км. Этот разрыв обычно связывают с переходом от мантийной породы, содержащей рингвудит, к мантийной породе, содержащей бриджманит и периклаз.

Происхождение Механические свойства астеносферы в значительной степени приписывают частичному плавлению горной породы. Вероятно, небольшое количество расплава присутствует на большей части астеносферы, где он стабилизируется следами летучих веществ (воды и углекислого газа), присутствующих в мантийной породе. Однако вероятное количество расплава, не превышающее примерно 0,1% породы, кажется недостаточным для полного объяснения существования астеносферы. Такого количества расплава недостаточно для того, чтобы полностью смочить границы зёрен в породе, и влияние расплава на механические свойства породы не должно быть значительным, если границы зёрен не смочены полностью. Резкую границу литосферы и астеносферы также трудно объяснить исключительно частичным плавлением. Возможно, астеносфера представляет собой зону минимальной растворимости воды в мантийных минералах, благодаря чему высвобождается больше воды для образования большего количества расплава. Другим возможным механизмом, приводящим к механической слабости, является проскальзывание по границам зёрен, при котором под воздействием напряжения зёрна слегка скользят друг относительно друга, смазываемые следовыми количествами присутствующих летучих веществ. Ослабление под океаническими плитами отчасти обусловлено самим их движением благодаря механизму нелинейной дислокационной ползучести.

Численные модели мантийной конвекции, в которых вязкость зависит как от температуры, так и от скорости деформации, надёжно воспроизводят океаническую астеносферу; это позволяет предположить, что ослабление, зависящее от скорости деформации, является важным способствующим механизмом, что также объясняет наличие особенно слабой астеносферы под Тихоокеанской плитой.

Образование магмы Декомпрессионное плавление астеносферной породы, медленно ползущей к поверхности, является важнейшим источником магмы на Земле. Большая её часть извергается в срединно-океанических хребтах, образуя характерный базальт срединно-океанических хребтов океанической коры. Магмы также образуются в результате декомпрессионного плавления астеносферы над зонами субдукции и в областях континентального рифтинга.

Декомпрессионное плавление в поднимающейся астеносфере, вероятно, начинается на глубине от 100 до 150 километров, где небольшие количества летучих веществ в мантийной породе (около 100 частей на миллион воды и 60 частей на миллион углекислого газа) способствуют плавлению не более чем 0,1% породы. На глубине около 70 километров достигаются условия сухого плавления, и процесс плавления существенно усиливается. Это приводит к обезвоживанию оставшейся твёрдой породы и, по-видимому, является причиной формирования химически обеднённой литосферы.

См. также Геосфера

Примечания

Категория:Строение Земли Категория:Тектоника плит