Manta (geologie)

Cupajul Pământului de la nucleu la exosferă.

Mantaua este un tip special de strat în interiorul unui corp astronomic. În cele mai multe cazuri, o mantaua apare într-un obiect solid ca strat de material care înconjoară un nucleu definibil, extradens. Mantaua, la rândul ei, poate fi împărțită în două sub-straturi și poate fi suprapusă de un strat numit „crustă”, așa cum este cazul planetei Pământ. În interiorul Pământului, mantaua este un strat stâncos aflat direct sub crustă și deasupra nucleului exterior. Manta constituie aproximativ 70% din volumul Pământului și se află deasupra nucleului bogat în fier, care ocupă aproximativ 30% din volumul Pământului. Deși este predominant solidă, o mare parte a mantalei este foarte vâscoasă din cauza presiunilor extrem de ridicate din interiorul ei. Convecția mantalei se exprimă la suprafață prin mișcările plăcilor tectonice.

Episoadele trecute de topire și vulcanism la nivelurile mai puțin adânci ale mantalei au produs o crustă foarte subțire de produse de topire cristalizate în apropierea suprafeței, pe care trăim noi. Gazele care au evoluat în timpul topirii mantalei terestre au un mare efect asupra compoziției și abundenței atmosferei terestre. Informațiile despre structura și compoziția mantalei rezultă fie din investigațiile geofizice, fie din analizele geostiințifice directe ale xenoliților derivați din mantaua terestră.

Structura

Grosimea mantalei Pământului este de aproximativ 2.900 de kilometri (km) (1.800 de mile). Rezultatele seismologiei indică faptul că aceasta este împărțită în secțiuni. Aceste straturi (și adâncimile lor) sunt următoarele:

• mantaua superioară (33-410 km) (20 până la 254 mile)
• zona de tranziție (410-670 km)
• mantaua inferioară (670-2798 km)
• stratul D” (2798-2998 km).

Suprafața mantalei este definită de o creștere bruscă a vitezei seismice, care a fost observată pentru prima dată de Andrija Mohorovičić în 1909. Această limită este denumită în prezent „Moho”. Stratul superior al mantalei și crusta suprapusă sunt relativ rigide și formează litosfera, un strat neregulat cu o grosime maximă de aproximativ 200 km. Sub litosferă, mantaua superioară devine mult mai plastică în ceea ce privește reologia sa. În unele regiuni de sub litosferă, viteza seismică este redusă; această – așa-numită – zonă de viteză redusă (LVZ) se extinde până la o adâncime de câteva sute de km. Inge Lehmann a descoperit o discontinuitate seismică la aproximativ 220 km adâncime; deși această discontinuitate a fost găsită și în alte studii, nu se știe dacă ea este omniprezentă. Zona de tranziție este o zonă de mare complexitate; ea separă fizic mantaua superioară de cea inferioară. Se cunosc foarte puține lucruri despre mantaua inferioară, în afară de faptul că aceasta pare a fi relativ omogenă din punct de vedere seismic. D” este stratul care separă mantaua de nucleu.

Caracteristici

Mantaua diferă substanțial de crustă prin caracteristicile sale mecanice și prin compoziția sa chimică. Distincția dintre crustă și mantaua se bazează pe chimie, tipuri de roci, reologie și caracteristici seismice. Crusta este, de fapt, un produs al topirii mantalei. Se crede că topirea parțială a materialului mantalei face ca elementele incompatibile să se separe din roca mantalei, iar materialul mai puțin dens plutește în sus prin spații poroase, fisuri sau crăpături, pentru a se răci și îngheța la suprafață. Rocile tipice ale mantalei au un raport mai mare între magneziu și fier și o proporție mai mică de siliciu și aluminiu decât crusta. Acest comportament este, de asemenea, prezis de experimentele care topesc parțial roci considerate a fi reprezentative pentru mantaua Pământului.

Cartografierea interiorului Pământului cu ajutorul undelor seismice.

Rocile mantalei la o adâncime mai mică de aproximativ 400 km constau în cea mai mare parte din olivină, piroxeni, spinel și granat; se crede că tipurile tipice de roci sunt peridotita, dunita (peridotita bogată în olivină) și eclogita. Între aproximativ 400 km și 650 km adâncime, olivina nu este stabilă și este înlocuită de polimorfi de înaltă presiune cu aproximativ aceeași compoziție: un polimorf este wadsleyitul (numit și tip beta-spinel), iar celălalt este ringwoodita (un mineral cu structura gamma-spinel). Sub aproximativ 650 km, toate mineralele din mantaua superioară încep să devină instabile. Cele mai abundente minerale prezente au structuri (dar nu și compoziții) asemănătoare cu cea a mineralului perovskit, urmat de oxidul de magneziu/feroid feropericlase. Schimbările de mineralogie la aproximativ 400 și 650 km produc semnături distinctive în înregistrările seismice ale interiorului Pământului și, la fel ca și moho, sunt ușor de detectat cu ajutorul undelor seismice. 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. În schimb, mantaua inferioară este supusă unei presiuni enorme și, prin urmare, are o vâscozitate mai mare decât mantaua superioară. Miezul exterior metalic de nichel-fier este lichid în ciuda presiunii enorme, deoarece are un punct de topire mai mic decât silicații din manta. Miezul interior este solid din cauza presiunii copleșitoare întâlnite în centrul planetei.

Temperatura

În mantaua, temperaturile variază între 500 °C și 900 °C (932 °F-1.652 °F) la limita superioară cu scoarța și peste 4000 °C (7200 °F) la limita cu miezul. Deși temperaturile mai ridicate depășesc cu mult punctele de topire ale rocilor mantalei de la suprafață (aproximativ 1200 °C pentru peridotita reprezentativă), mantaua este aproape exclusiv solidă. Presiunea litostatică enormă exercitată asupra mantalei împiedică topirea, deoarece temperatura la care începe topirea (solidus) crește odată cu presiunea.

Mișcare

Datorită diferenței de temperatură dintre suprafața Pământului și nucleul exterior și capacității rocilor cristaline aflate la presiune și temperatură ridicate de a suferi o deformare lentă, târâtoare, de tip vâscos, de-a lungul a milioane de ani, în mantaua există o circulație convectivă a materialului. Materialul fierbinte urcă sub forma unui diapir plutonic (oarecum asemănător cu o lampă de lavă), probabil de la granița cu nucleul exterior (a se vedea penajul mantalei), în timp ce materialul mai rece (și mai greu) se scufundă în jos. Acest lucru se prezintă adesea sub forma unor coborâri litosferice pe scară largă la granițele plăcilor numite zone de subducție . În timpul ascensiunii, materialul mantalei se răcește atât adiabatic, cât și prin conducție în mantaua înconjurătoare mai rece. Temperatura materialului scade odată cu scăderea presiunii legate de ascensiune, iar căldura sa se distribuie pe un volum mai mare. Deoarece temperatura la care se inițiază topirea scade mai rapid cu înălțimea decât o face o coloană fierbinte ascendentă, topirea parțială poate avea loc chiar sub litosferă, provocând vulcanism și plutonism.

Convecția mantalei Pământului este un proces haotic (în sensul dinamicii fluidelor), despre care se crede că face parte integrantă din mișcarea plăcilor. Mișcarea plăcilor nu trebuie confundată cu termenul mai vechi de derivă continentală, care se aplică pur și simplu la mișcarea componentelor crustale ale continentelor. Mișcările litosferei și ale mantalei subiacente sunt cuplate, deoarece litosfera descendentă este o componentă esențială a convecției în manta. Deriva continentală observată este o relație complicată între forțele care cauzează scufundarea litosferei oceanice și mișcările din interiorul mantalei Pământului.

Deși există o tendință spre o vâscozitate mai mare la adâncime mai mare, această relație este departe de a fi liniară și prezintă straturi cu o vâscozitate dramatic diminuată, în special în mantaua superioară și la granița cu nucleul. Mantaua aflată la aproximativ 200 km deasupra limitei dintre nucleu și mantaua pare să aibă proprietăți seismice net diferite față de mantaua aflată la adâncimi ceva mai mici; această regiune neobișnuită a mantalei aflată chiar deasupra nucleului este denumită D″ („D double-prime” sau „D prime prime”), o nomenclatură introdusă cu peste 50 de ani în urmă de geofizicianul Keith Bullen. D″ poate fi alcătuită din material provenit din plăci subdurate care au coborât și s-au oprit la granița nucleu-mantă și/sau dintr-un nou polimorf mineral descoperit în perovskit, numit post-perovskit.

Datorită vâscozității relativ scăzute din mantaua superioară, s-ar putea argumenta că nu ar trebui să existe cutremure la o adâncime mai mică de aproximativ 300 km. Cu toate acestea, în zonele de subducție, gradientul geotermic poate fi redus în cazul în care materialul rece de la suprafață se scufundă în jos, crescând rezistența mantalei înconjurătoare și permițând apariția cutremurelor până la o adâncime de 400 km și 670 km.

Presiunea în partea de jos a mantalei este de ~136 GPa (1,4 milioane de atm). Există o presiune din ce în ce mai mare pe măsură ce se călătorește mai adânc în manta, deoarece materialul de dedesubt trebuie să susțină greutatea întregului material de deasupra sa. Cu toate acestea, se consideră că întreaga mantaua se deformează ca un fluid pe perioade lungi de timp, deformarea plastică permanentă fiind asigurată de mișcarea defectelor punctiforme, liniare și/sau plane prin cristalele solide care alcătuiesc mantaua. Estimările privind vâscozitatea mantalei superioare variază între 1019 și 1024 Pa-s, în funcție de adâncime, temperatură, compoziție, stare de tensiune și de numeroși alți factori. Astfel, mantaua superioară nu poate curge decât foarte încet. Cu toate acestea, atunci când se aplică forțe mari asupra mantalei superioare, aceasta poate deveni mai slabă, iar acest efect este considerat important pentru a permite formarea limitelor plăcilor tectonice.

Explorarea

Explorarea mantalei se realizează, în general, pe fundul mării mai degrabă decât pe uscat, din cauza subțimii relative a crustei oceanice în comparație cu crusta continentală semnificativ mai groasă.

Prima încercare de explorare a mantalei, cunoscută sub numele de Proiectul Mohole, a fost abandonată în 1966, după eșecuri repetate și depășiri de costuri. Cea mai adâncă pătrundere a fost de aproximativ 180 m. În 2005, cea de-a treia cea mai adâncă gaură de foraj oceanic a ajuns la 1416 metri sub fundul mării de pe nava de foraj oceanic JOIDES Resolution.

La 5 martie 2007, o echipă de oameni de știință de la bordul navei RRS James Cook s-a îmbarcat într-o călătorie spre o zonă a fundului mării atlantice în care mantaua se află expusă fără niciun fel de acoperire de crustă, la jumătatea distanței dintre Insulele Capului Verde și Marea Caraibelor. Locul expus se află la aproximativ trei kilometri sub suprafața oceanului și se întinde pe mii de kilometri pătrați.

O încercare relativ dificilă de a prelua mostre din mantaua Pământului a fost programată pentru mai târziu în 2007. Ca parte a misiunii Chikyu Hakken, urma să folosească nava japoneză „Chikyu” pentru a fora până la 7000 m sub fundul mării. Această adâncime este de aproape trei ori mai mare decât precedentele foraje oceanice.

A fost analizată recent o nouă metodă de explorare a celor mai înalte sute de km din partea superioară a Pământului, care constă într-o sondă mică, densă, generatoare de căldură, care se topește în jos prin crustă și manta, în timp ce poziția și progresul său sunt urmărite prin semnale acustice generate în roci. Sonda este formată dintr-o sferă exterioară de tungsten cu diametrul de ~ 1 m, în interiorul căreia se află o sursă de căldură radioactivă de 60Co. S-a calculat că o astfel de sondă va ajunge la Moho oceanic în mai puțin de 6 luni și va atinge adâncimi minime de peste 100 km în câteva decenii, atât sub litosfera oceanică, cât și sub cea continentală.

Vezi și

• Crust (geologie)
• Pământ
• Plate tectonics
• Volcan

Note

• Burns, Roger George. 1993. Aplicații mineralogice ale teoriei câmpului cristalin. Cambridge, Marea Britanie: Cambridge University Press. ISBN 0521430771.
• Coltorti, M., și M. Gregoire. 2008. Metasomatism in Oceanic & Continental Lithospheric Mantle. Londra, Marea Britanie: Geological Society Pub House. ISBN 1862392420

• Condie, Kent C. 2001. Mantle Plumes și înregistrarea lor în istoria Pământului. Cambridge, Marea Britanie: Cambridge University Press. ISBN 0521014727

• Condie, Kent C. 2005. Earth As an Evolving Planetary System (Pământul ca sistem planetar în evoluție). Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0120883929
• Ojovan, M.I., și F.G.F. Gibb. „Exploring the Earth’s Crust and Mantle Using Self-Descending, Radiation-Heated, Probes and Acoustic Emission Monitoring”. Capitolul 7, în Arnold P. Lattefer, 2008. Nuclear Waste Research: Siting, Technology and Treatment. New York, NY: Nova Science Publishers. ISBN 9781604561845.
• Van der Pluijm, Ben A., și Stephen Marshak. 2004. Structura Pământului: An Introduction to Structural Geology and Tectonics, 2nd ed. New York: W.W. Norton. ISBN 03939242467X

• Vogt, Gregory. 2007. Nucleul și mantaua Pământului: Heavy Metal, Moving Rock. 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.