Földköpeny (geológia)

A Föld metszete a magtól az exoszféráig.

A földköpeny egy bizonyos típusú réteg egy csillagászati égitestben. A köpeny a legtöbb esetben egy szilárd objektumban egy körülhatárolható, extra sűrű magot körülvevő anyagrétegként fordul elő. Maga a köpeny két alrétegre osztható, és egy “kéregnek” nevezett réteg fedheti, mint például a Föld bolygó esetében. A Föld belsejében a köpeny közvetlenül a kéreg alatt és a külső mag felett elhelyezkedő kőzetréteg. A köpeny a Föld térfogatának mintegy 70 százalékát teszi ki, és a Föld vasban gazdag magja fölött helyezkedik el, amely a Föld térfogatának mintegy 30 százalékát foglalja el. Bár túlnyomórészt szilárd, a köpeny nagy része rendkívül viszkózus, mivel rendkívül nagy nyomás uralkodik benne. A köpeny konvekciója a felszínen a tektonikus lemezek mozgása révén jut kifejezésre.

A köpeny sekélyebb szintjein lezajlott olvadás és vulkanizmus korábbi epizódjai a felszín közelében kristályosodott olvadéktermékekből álló nagyon vékony kérget hoztak létre, amelyen mi élünk. A földköpeny olvadása során keletkezett gázok nagy hatással vannak a földi légkör összetételére és mennyiségére. A földköpeny szerkezetére és összetételére vonatkozó információk vagy geofizikai vizsgálatokból, vagy a földköpenyből származó xenolitok közvetlen földtudományi elemzéséből származnak.

Szerkezet

A földköpeny vastagsága körülbelül 2900 kilométer (km). A szeizmológiai eredmények azt mutatják, hogy szakaszokra tagolódik. Ezek a rétegek (és mélységeik) a következők:

• a felső köpeny (33-410 km)
• az átmeneti zóna (410-670 km)
• az alsó köpeny (670-2798 km)
• a D” réteg (2798-2998 km).

A köpeny felső részét a szeizmikus sebesség hirtelen növekedése határozza meg, amelyet először Andrija Mohorovičić figyelt meg 1909-ben. Ezt a határt ma “Moho”-nak nevezik. A legfelső köpeny és a felette lévő kéreg viszonylag merev, és ezek alkotják a litoszférát, egy szabálytalan réteget, amelynek maximális vastagsága talán 200 km. A litoszféra alatt a felső köpeny reológiája jelentősen plasztikusabbá válik. A litoszféra alatti egyes régiókban a szeizmikus sebesség csökken; ez az – úgynevezett – alacsony sebességű zóna (LVZ) több száz km mélységig terjed. Inge Lehmann felfedezett egy szeizmikus diszkontinuitást körülbelül 220 km mélységben; bár ezt a diszkontinuitást más tanulmányok is találták, nem ismert, hogy a diszkontinuitás mindenütt jelen van-e. A szeizmikus sebesség csökken. Az átmeneti zóna nagyon összetett terület; fizikailag elválasztja a felső és az alsó köpenyt. Az alsó köpenyről nagyon keveset tudunk azon kívül, hogy szeizmikusan viszonylag homogénnek tűnik. A “D” az a réteg, amely elválasztja a köpenyt a magtól.

Jellemzők

A köpeny mechanikai jellemzőiben és kémiai összetételében jelentősen különbözik a kéregtől. A kéreg és a köpeny megkülönböztetése a kémia, a kőzettípusok, a reológia és a szeizmikus jellemzők alapján történik. A kéreg valójában a köpenyolvadás terméke. A köpeny anyagának részleges olvadása a feltételezések szerint azt okozza, hogy az inkompatibilis elemek leválnak a köpeny kőzetéről, a kevésbé sűrű anyag pedig a pórusokon, repedéseken vagy hasadékokon keresztül felfelé úszik, hogy a felszínen lehűljön és megfagyjon. A tipikus köpeny kőzetekben magasabb a magnézium és a vas aránya, és kisebb a szilícium és az alumínium aránya, mint a kéregben. Ezt a viselkedést olyan kísérletek is megjósolják, amelyek részben megolvasztják a földköpenyre reprezentatívnak vélt kőzeteket.

A Föld belsejének feltérképezése földrengéshullámokkal.

A kb. 400 km mélységnél sekélyebb köpeny kőzetek többnyire olivinből, piroxénekből, spinellből és gránátból állnak; jellemző kőzettípusnak a peridotitot, a dunitot (olivinben gazdag peridotit) és az eklogitot tartják. Körülbelül 400 km és 650 km mélység között az olivin nem stabil, és nagy nyomáson nagyjából azonos összetételű polimorfok váltják fel: az egyik polimorf a wadsleyit (más néven béta-spinel típusú), a másik pedig a ringwoodit (gamma-spinel szerkezetű ásvány). Körülbelül 650 km alatt a felső köpeny összes ásványa instabillá kezd válni. A legnagyobb mennyiségben jelen lévő ásványok szerkezete (de nem összetétele) olyan, mint a perovszkit ásványé, amelyet a magnézium/vas-oxid ferroperikláz követ. Az ásványtani változások körülbelül 400 és 650 km magasságban jellegzetes jeleket adnak a Föld belsejének szeizmikus feljegyzéseiben, és a mohóhoz hasonlóan a szeizmikus hullámok segítségével könnyen kimutathatók. These changes in mineralogy may influence mantle convection, as they result in density changes and they may absorb or release latent heat as well as depress or elevate the depth of the polymorphic phase transitions for regions of different temperatures. The changes in mineralogy with depth have been investigated by laboratory experiments that duplicate high mantle pressures, such as those using the diamond anvil.

Why is the inner core solid, the outer core liquid, and the mantle solid/plastic? The answer depends both on the relative melting points of the different layers (nickel-iron core, silicate crust and mantle) and on the increase in temperature and pressure as one moves deeper into the Earth. At the surface both nickel-iron alloys and silicates are sufficiently cool to be solid. In the upper mantle, the silicates are generally solid (localized regions with small amounts of melt exist); however, as the upper mantle is both hot and under relatively little pressure, the rock in the upper mantle has a relatively low viscosity. Ezzel szemben az alsó köpeny óriási nyomás alatt áll, és ezért nagyobb a viszkozitása, mint a felső köpenynek. A fémes nikkel-vas külső mag a hatalmas nyomás ellenére folyékony, mivel olvadáspontja alacsonyabb, mint a köpeny szilikátjainak. A belső mag a bolygó középpontjában uralkodó hatalmas nyomás miatt szilárd.

Hőmérséklet

A köpenyben a hőmérséklet 500 °C és 900 °C (932 °F-1652 °F) között változik a kéreggel való felső határon és 4000 °C (7200 °F) fölött a maggal való határon. Bár a magasabb hőmérsékletek jóval meghaladják a köpeny kőzetének felszíni olvadáspontját (kb. 1200 °C a reprezentatív peridotit esetében), a köpeny szinte kizárólag szilárd. A köpenyre nehezedő hatalmas litosztatikus nyomás megakadályozza az olvadást, mivel az a hőmérséklet, amelynél az olvadás megkezdődik (a szolidus), a nyomással együtt nő.

Mozgás

A Föld felszíne és a külső mag közötti hőmérsékletkülönbség, valamint a kristályos kőzetek magas nyomáson és hőmérsékleten történő, évmilliókon át tartó lassú, kúszó, viszkózus alakváltozásra való képessége miatt a köpenyben konvektív anyagkörforgás zajlik. A forró anyag plutonikus diapírként (némileg lávalámpához hasonlóan) emelkedik felfelé, talán a külső mag határáról (lásd köpenyfúvóka), míg a hűvösebb (és nehezebb) anyag lefelé süllyed. Ez gyakran nagyméretű litoszférikus leáramlások formájában jelentkezik a lemezhatárokon, az úgynevezett szubdukciós zónáknál . A felemelkedés során a köpeny anyaga adiabatikusan és a környező hűvösebb köpenybe való vezetés révén egyaránt lehűl. Az anyag hőmérséklete a felemelkedéssel járó nyomáscsökkenéssel együtt csökken, és hője nagyobb térfogatban oszlik el. Mivel az olvadás megindulásának hőmérséklete a magassággal gyorsabban csökken, mint a felszálló forró plume esetében, a részleges olvadás közvetlenül a litoszféra alatt következhet be, ami vulkanizmust és plutonizmust okozhat.

A földköpeny konvekciója kaotikus folyamat (a folyadékdinamika értelmében), amelyről úgy gondolják, hogy szerves része a lemezek mozgásának. A lemezmozgás nem tévesztendő össze a régebbi kontinentális sodródás kifejezéssel, amely pusztán a kontinensek kéregkomponenseinek mozgására vonatkozik. A litoszféra és az alatta lévő köpeny mozgása összekapcsolódik, mivel a süllyedő litoszféra a köpenyben zajló konvekció lényeges összetevője. A megfigyelt kontinentális sodródás az óceáni litoszféra süllyedését okozó erők és a földköpenyen belüli mozgások bonyolult összefüggése.

Bár a nagyobb mélységben tendenciaszerűen nagyobb a viszkozitás, ez az összefüggés korántsem lineáris, és drámaian csökkent viszkozitású rétegeket mutat, különösen a felső köpenyben és a maggal való határon. Úgy tűnik, hogy a mag-köpeny határától mintegy 200 km-en belül a köpeny határozottan más szeizmikus tulajdonságokkal rendelkezik, mint a valamivel kisebb mélységben lévő köpeny; ezt a szokatlan köpenyrégiót közvetlenül a mag felett D″-nek (“D double-prime” vagy “D prime prime”) nevezik, amelyet Keith Bullen geofizikus vezetett be több mint 50 évvel ezelőtt. A D″ a mag és a köpeny határán nyugvó, süllyedt lemezek anyagából és/vagy a perovszkitban felfedezett új ásványi polimorfból, az úgynevezett poszt-perovszkitből állhat.

A felső köpeny viszonylag alacsony viszkozitása miatt arra lehet következtetni, hogy körülbelül 300 km mélység alatt nem lehetnek földrengések. A szubdukciós zónákban azonban a geotermikus gradiens csökkenhet, ahol a felszínről hűvös anyag süllyed lefelé, ami növeli a környező köpeny szilárdságát, és lehetővé teszi a földrengések kialakulását 400 km és 670 km mélységig.

A köpeny alján a nyomás ~136 GPa (1,4 millió atm). A köpeny mélyebbre hatolva egyre nagyobb a nyomás, mivel az alatta lévő anyagnak el kell viselnie a felette lévő összes anyag súlyát. Az egész köpeny azonban még mindig úgy gondolják, hogy hosszú időskálákon keresztül folyadékként deformálódik, és az állandó plasztikus deformáció a köpenyt alkotó szilárd kristályokon keresztül pont-, vonal- és/vagy síkhibák mozgása révén jön létre. A felső köpeny viszkozitására vonatkozó becslések 1019 és 1024 Pa-s között mozognak, a mélységtől, hőmérséklettől, összetételtől, feszültségi állapottól és számos más tényezőtől függően. A felső köpeny tehát csak nagyon lassan tud áramlani. Ha azonban nagy erők hatnak a legfelső köpenyre, akkor gyengébbé válhat, és ezt a hatást fontosnak tartják a tektonikus lemezhatárok kialakulásának lehetővé tételében.

Feltárás

A köpeny feltárását általában nem a szárazföldön, hanem a tengerfenéken végzik, mivel az óceáni kéreg viszonylag vékony, szemben a jóval vastagabb kontinentális kéreggel.

A köpeny feltárására tett első kísérletet, a Mohole projektet 1966-ban hagyták abba, miután többszörös kudarcot vallottak és a költségeket túllépték. A legmélyebb behatolás megközelítőleg 180 méter volt. 2005-ben a harmadik legmélyebb óceáni fúrólyuk a JOIDES Resolution nevű óceánfúró hajóról 1416 méter mélyre hatolt a tengerfenék alá.

2007. március 5-én az RRS James Cook fedélzetén egy tudóscsoport az Atlanti-óceánfenék egy olyan területére indult, ahol a köpeny kéregborítás nélkül, a Zöld-foki szigetek és a Karib-tenger között félúton fekszik. A feltárt terület körülbelül három kilométerrel az óceán felszíne alatt fekszik, és több ezer négyzetkilométert fed le.

A viszonylag nehéz kísérletet a földköpenyből való mintavételre 2007 későbbre tervezték. A Chikyu Hakken küldetés részeként a japán “Chikyu” hajóval a tengerfenék alatt 7000 méter mélyre fúrnának. Ez közel háromszor olyan mélység, mint a korábbi óceáni fúrások.”

A közelmúltban elemezték a Föld legfelső több száz kilométerének feltárására szolgáló új módszert, amely egy kisméretű, sűrű, hőtermelő szondából áll, amely lefelé olvad a kéregben és a köpenyben, miközben helyzetét és haladását a kőzetekben keletkező akusztikus jelek segítségével követik. A szonda egy ~ 1 m átmérőjű külső volfrámgömbből áll, amelynek belsejében egy 60Co radioaktív hőforrás található. A számítások szerint egy ilyen szonda kevesebb mint 6 hónap alatt eléri az óceáni Moho-t, és néhány évtized alatt eléri a 100 km-nél jóval nagyobb minimális mélységet mind az óceáni, mind a kontinentális litoszféra alatt.

See also

• Kéreg (geológia)
• Föld
• Lemeztektonika
• Vulkán

Jegyzetek

• Burns, Roger George. 1993. A kristálytérelmélet ásványtani alkalmazásai. Cambridge, Egyesült Királyság: Cambridge University Press. ISBN 0521430771.
• Coltorti, M., and M. Gregoire. 2008. Metaszomatizmus az óceáni & kontinentális litoszférikus köpenyben. London, UK: Geological Society Pub House. ISBN 1862392420

• Condie, Kent C. 2001. Mantle Plumes and Their Record in Earth History. Cambridge, Egyesült Királyság: Cambridge University Press. ISBN 0521014727

• Condie, Kent C. 2005. A Föld mint fejlődő bolygórendszer. Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0120883929
• Ojovan, M.I. és F.G.F. Gibb. “Exploring the Earth’s Crust and Mantle Using Self-Descending, Radiation-Heated, Probes and Acoustic Emission Monitoring”. A 7. fejezet, in: Arnold P. Lattefer, 2008. Nukleáris hulladékkutatás: Siting, Technology and Treatment. New York, NY: Nova Science Publishers. ISBN 9781604561845.
• Van der Pluijm, Ben A., and Stephen Marshak. 2004. Földszerkezet: An Introduction to Structural Geology and Tectonics, 2nd ed. New York: W.W. Norton. ISBN 039392467X

• Vogt, Gregory. 2007. A Föld magja és köpenye: Nehéz fém, mozgó kőzet. Minneapolis, MN: Twenty-First Century Books. ISBN 978-0761328377

All links retrieved August 10, 2018.

• Don L. Anderson, Theory of the Earth, Blackwell (1989). (A textbook dealing with the Earth’s interior now available on the web.)
• Project Mohole.