Manteln (geologi)

Jordklyftan från kärnan till exosfären.

Manteln är en särskild typ av skikt i en astronomisk kropp. En mantel förekommer i de flesta fall i ett fast objekt som det materialskikt som omger en definierbar, extra tät kärna. Manteln kan i sig själv delas upp i två underlager och kan överlagras av ett lager som kallas ”skorpan”, vilket är fallet med planeten jorden. I jordens inre är manteln ett stenlager direkt under skorpan och ovanför den yttre kärnan. Manteln utgör cirka 70 procent av jordens volym och ligger över jordens järnrika kärna, som upptar cirka 30 procent av jordens volym. Även om den huvudsakligen är fast är en stor del av manteln mycket viskös på grund av det extremt höga trycket i manteln. Konvektionen av manteln kommer till uttryck vid ytan genom de tektoniska plattornas rörelser.

Förflutna episoder av smältning och vulkanism på de grundare nivåerna i manteln har gett upphov till en mycket tunn skorpa av kristalliserade smältprodukter nära ytan, som vi lever på. De gaser som utvecklas under smältningen av jordens mantel har en stor inverkan på sammansättningen och rikedomen i jordens atmosfär. Information om mantelns struktur och sammansättning kommer antingen från geofysiska undersökningar eller från direkta geovetenskapliga analyser av xenoliter som härrör från manteln.

Struktur

Tjockleken på jordens mantel är cirka 2 900 kilometer (km) (1 800 miles). Resultat från seismologi visar att den är uppdelad i sektioner. Dessa lager (och deras djup) är följande:

• den övre manteln (33-410 km) (20 till 254 miles)
• övergångszonen (410-670 km)
• den nedre manteln (670-2798 km)
• D ”D”-lagret (2798-2998 km).

Den övre delen av manteln definieras av en plötslig ökning av den seismiska hastigheten, som först noterades av Andrija Mohorovičić 1909. Denna gräns kallas nu för ”Moho”. Den översta manteln plus den överliggande skorpan är relativt styva och bildar litosfären, ett oregelbundet lager med en maximal tjocklek på kanske 200 km. Under litosfären blir den övre manteln betydligt mer plastisk i sin reologi. I vissa områden under litosfären är den seismiska hastigheten reducerad; denna – så kallade – låghastighetszon (LVZ) sträcker sig ner till ett djup av flera hundra km. Inge Lehmann upptäckte en seismisk diskontinuitet på cirka 220 km djup; även om denna diskontinuitet har påträffats i andra studier vet man inte om diskontinuiteten är allestädes närvarande. Övergångszonen är ett område med stor komplexitet; den separerar fysiskt den övre och nedre manteln. Mycket lite är känt om den nedre manteln förutom att den verkar vara relativt seismiskt homogen. D” är det skikt som skiljer manteln från kärnan.

Karakteristik

Manteln skiljer sig väsentligt från jordskorpan genom sina mekaniska egenskaper och sin kemiska sammansättning. Skillnaden mellan skorpa och mantel baseras på kemi, bergarter, reologi och seismiska egenskaper. Skorpan är i själva verket en produkt av mantelsmältning. Partiell smältning av mantelns material tros leda till att oförenliga element separeras från mantelns bergarter och att mindre tätt material flyter uppåt genom porutrymmen, sprickor och klyftor för att svalna och frysa vid ytan. Typiska mantelstenar har ett högre förhållande mellan magnesium och järn och en mindre andel kisel och aluminium än jordskorpan. Detta beteende förutsägs också av experiment där man delvis smälter stenar som anses vara representativa för jordens mantel.

Kartläggning av jordens inre med hjälp av jordbävningsvågor.

Mantelstenar på mindre djup än cirka 400 km består mestadels av olivin, pyroxener, spinell och granat; typiska bergarter anses vara peridotit, dunit (olivinrik peridotit) och eklogit. Mellan cirka 400 km och 650 km djup är olivin inte stabilt och ersätts av högtryckspolymorfer med ungefär samma sammansättning: en polymorf är wadsleyit (även kallad beta-spinel-typ) och den andra är ringwoodit (ett mineral med gamma-spinel-struktur). Under cirka 650 km börjar alla mineraler i den övre manteln att bli instabila. De mest förekommande mineralerna som förekommer har strukturer (men inte sammansättningar) som mineralets perovskit följt av magnesium/järnoxiden ferroperiklas. Förändringarna i mineralogi vid cirka 400 och 650 km ger distinkta signaturer i seismiska registreringar av jordens inre, och i likhet med moho kan de lätt upptäckas med hjälp av seismiska vågor. 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. Den nedre manteln är däremot under ett enormt tryck och har därför en högre viskositet än den övre manteln. Den yttre kärnan av metalliskt nickel-järn är flytande trots det enorma trycket eftersom den har en smältpunkt som är lägre än mantelsilikaten. Den inre kärnan är fast på grund av det överväldigande trycket som finns i planetens centrum.

Temperatur

I manteln varierar temperaturen mellan 500 °C till 900 °C (932 °F-1 652 °F) vid den övre gränsen mot jordskorpan till över 4000 °C (7200 °F) vid gränsen mot kärnan. Även om de högre temperaturerna vida överstiger smältpunkten för mantelstenarna vid ytan (ca 1200 °C för representativ peridotit) är manteln nästan uteslutande fast. Det enorma litostatiska tryck som utövas på manteln förhindrar smältning, eftersom den temperatur vid vilken smältning börjar (solidus) ökar med trycket.

Rörelse

På grund av temperaturskillnaden mellan jordytan och den yttre kärnan, och förmågan hos de kristallina bergarterna att vid högt tryck och hög temperatur genomgå en långsam, krypande, viskösliknande deformation under miljontals år, finns det en konvektiv materialcirkulation i manteln. Varmt material stiger upp som en plutonisk diapir (något som liknar en lavalampa), kanske från gränsen till den yttre kärnan (se mantelplym), medan kallare (och tyngre) material sjunker nedåt. Detta sker ofta i form av storskaliga litosfäriska nedsänkningar vid plattgränser som kallas subduktionszoner . Under uppstigningen kyls mantelns material ner både adiabatiskt och genom konduktion till omgivande kallare mantel. Materialets temperatur sjunker i samband med den tryckavlastning som är förknippad med uppstigningen, och dess värme fördelas över en större volym. Eftersom den temperatur vid vilken smältning inleds sjunker snabbare med höjden än vad en stigande varm plym gör, kan partiell smältning ske strax under litosfären och orsaka vulkanism och plutonism.

Konvektionen av jordens mantel är en kaotisk process (i betydelsen flödesdynamik), som tros vara en integrerad del av plattornas rörelse. Plattornas rörelse bör inte förväxlas med den äldre termen kontinentaldrift, som enbart gäller rörelsen av kontinenternas krustedelar. Litosfärens och den underliggande mantelns rörelser är kopplade till varandra, eftersom den nedåtgående litosfären är en väsentlig del av konvektionen i manteln. Den observerade kontinentaldriften är ett komplicerat förhållande mellan de krafter som får den oceaniska litosfären att sjunka och rörelserna i jordens mantel.

Och även om det finns en tendens till större viskositet på större djup är detta förhållande långt ifrån linjärt och visar skikt med dramatiskt minskad viskositet, särskilt i den övre manteln och vid gränsen mot kärnan. Manteln inom cirka 200 km ovanför gränsen mellan kärna och mantel tycks ha klart annorlunda seismiska egenskaper än manteln på något mindre djup. Denna ovanliga mantelregion strax ovanför kärnan kallas D″ (”D double-prime” eller ”D prime prime prime”), en nomenklatur som infördes för över 50 år sedan av geofysikern Keith Bullen. D″ kan bestå av material från subducerade plattor som sänktes ner och kom till vila vid gränsen mellan kärna och mantel och/eller från en ny mineralpolymorf som upptäckts i perovskit och som kallas post-perovskit.

På grund av den relativt låga viskositeten i den övre manteln skulle man kunna resonera som så att det inte borde förekomma några jordbävningar under cirka 300 km djup. I subduktionszoner kan dock den geotermiska gradienten sänkas där kallt material från ytan sjunker nedåt, vilket ökar styrkan i den omgivande manteln och gör att jordbävningar kan inträffa ner till 400 km och 670 km djup.

Trycket i mantelns botten är ~136 GPa (1,4 miljoner atm). Trycket ökar ju djupare ner i manteln man kommer, eftersom materialet under måste bära upp vikten av allt material ovanför. Hela manteln anses dock fortfarande deformeras som en vätska på långa tidsskalor, med en permanent plastisk deformation som tillgodoses av punkt-, linje- och/eller plana defekter som rör sig genom de fasta kristaller som ingår i manteln. Uppskattningar av den övre mantelns viskositet varierar mellan 1019 och 1024 Pa-s, beroende på djup, temperatur, sammansättning, spänningstillstånd och många andra faktorer. Den övre manteln kan alltså bara flyta mycket långsamt. När stora krafter läggs på den översta manteln kan den dock bli svagare, och denna effekt anses vara viktig för att möjliggöra bildandet av tektoniska plattgränser.

Utforskning

Utforskning av manteln sker i allmänhet på havsbotten snarare än på land på grund av den oceanska skorpans relativa tunnhet jämfört med den betydligt tjockare kontinentala skorpan.

Det första försöket att utforska manteln, känt som Projekt Mohole, övergavs 1966 efter upprepade misslyckanden och kostnadsöverskridanden. Den djupaste penetreringen var cirka 180 meter. 2005 nådde det tredje djupaste borrhålet i havet 1416 meter under havsbotten från havsborrningsfartyget JOIDES Resolution.

Den 5 mars 2007 påbörjade ett forskarlag ombord på RRS James Cook en resa till ett område på Atlantens havsbotten där manteln ligger blottlagd utan att skorpan är täckt, halvvägs mellan Kap Verdeöarna och Karibiska havet. Det exponerade området ligger ungefär tre kilometer under havsytan och täcker tusentals kvadratkilometer.

Ett relativt svårt försök att hämta prover från jordens mantel var planerat till senare under 2007. Som en del av uppdraget Chikyu Hakken skulle det japanska fartyget ”Chikyu” användas för att borra upp till 7 000 meter under havsbotten. Detta är nästan tre gånger så djupt som tidigare havsborrningar.

En ny metod för att utforska de översta hundratals kilometerna av jorden analyserades nyligen, som består av en liten, tät, värmealstrande sond som smälter sig ner genom jordskorpan och manteln medan dess position och framfart följs av akustiska signaler som genereras i stenarna. Sonden består av en yttre sfär av volfram med en diameter på ~ 1 m, inuti vilken det finns en radioaktiv 60Co värmekälla. Det beräknades att en sådan sond kommer att nå den oceaniska Moho på mindre än 6 månader och nå ett minsta djup på över 100 km på några decennier under både oceanisk och kontinental litosfär.

Se även

• Crust (geologi)
• Jorden
• Plattentektonik
• Vulkaner

Notiser

• Burns, Roger George. 1993. Mineralogical Applications of Crystal Field Theory. Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press. ISBN 0521430771.
• Coltorti, M. och M. Gregoire. 2008. Metasomatism in Oceanic & Continental Lithospheric Mantle. London, UK: Geological Society Pub House. ISBN 1862392420

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

• Condie, Kent C. 2005. Earth As an Evolving Planetary System. Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0120883929
• Ojovan, M.I. och F.G.F. Gibb. ”Exploring the Earth’s Crust and Mantle Using Self-Descending, Radiation-Heated, Probes and Acoustic Emission Monitoring”. Kapitel 7 i Arnold P. Lattefer, 2008. Forskning om kärnavfall: Siting, Technology and Treatment. New York, NY: Nova Science Publishers. ISBN 9781604561845.
• Van der Pluijm, Ben A. och Stephen Marshak. 2004. Earth Structure: An Introduction to Structural Geology and Tectonics, 2nd ed. New York: W.W. Norton. ISBN 039392467X

• Vogt, Gregory. 2007. Jordens kärna och mantel: 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.