Астеносфера Земли: строение, свойства и роль в глобальной геодинамике

Астеносфера представляет собой пластичный слой в верхней мантии Земли, расположенный непосредственно под жесткой литосферой и над более глубокой мезосферой. Этот слой играет фундаментальную роль в глобальной геодинамике, выступая в качестве смазки, облегчающей движение тектонических плит. Его глубина варьируется от 50-100 км под континентами и океанами до почти нулевой под срединно-океаническими хребтами. Древние континентальные кратоны обладают глубокими литосферными корнями, простирающимися на сотни километров в астеносферный материал. Определяющей характеристикой астеносферы является частичное плавление (1-10%), резко снижающее ее вязкость и механическую прочность, что отражено в ее названии, происходящем от греческого слова, означающего «слабая сфера».

Сейсмические методы служат основным источником данных о свойствах и границах астеносферы. В этом регионе наблюдается заметное снижение скоростей S-волн, что четко отделяет его от вышележащей литосферы и нижележащей мезосферы. Эта зона низких скоростей (Low-Velocity Zone, LVZ) возникает вследствие ослабляющего воздействия частичного плавления на передачу сейсмической энергии. Таким образом, астеносфера демонстрирует наибольшее затухание сейсмических волн в земных недрах. Данные сейсмические признаки имеют решающее значение для определения латеральной и вертикальной протяженности данного механически слабого слоя, что визуализируется на обобщенных схемах строения Земли.

По своему составу астеносфера в основном сложена ультраосновными породами, известными как перидотит. Доминирующим минералом является оливин, сопровождаемый меньшим количеством ортопироксена, клинопироксена и акцессорных минералов, таких как хромитовая шпинель. Термин «перидотит» объединяет ряд специфических пород, включая гарцбургит, лерцолит, верлит, дунит и пироксенит. Хотя перидотиты редко встречаются в континентальной коре, они доминируют в составе мантии. На поверхности Земли они обнаруживаются в виде нижних кумулятов в офиолитах (обдуцированных фрагментах океанической литосферы), расслоенных интрузиях и ультраосновных дайках. В условиях земной коры эти породы метастабильны и легко подвергаются серпентинизации в процессе гидратации.

Реологические свойства астеносферы, прежде всего ее низкая вязкость, являются ключевыми для понимания движущих сил тектоники плит. Она ведет себя как вязкая жидкость в результате тепловой конвекции, возникающей из-за потери тепла из земных недр. В научном сообществе продолжаются серьезные дискуссии о степени связи между текучей астеносферой и вышележащими литосферными плитами. Одни геофизические модели предполагают наличие сильного сопротивления мантии на границе литосферы и астеносферы (LAB), где конвективные течения существенно влияют на движение плит. Другие модели постулируют слабую связь слоев, считая, что кинематика плит определяется в основном внутрилитосферными силами: гравитационным проскальзыванием плиты (ridge push), тягой плиты (slab pull) и сопротивлением в зонах субдукции и трансформных разломов.

Отдельный научный дискурс посвящен взаимосвязи между конвекцией в верхней мантии (астеносфере) и более глубокой конвекцией в мезосфере (нижней мантии). Конкурирующие модели мантийной конвекции по-разному описывают этот крупномасштабный перенос тепла и материала. Некоторые исследователи выступают за послойную конвекцию с раздельными ячейками циркуляции в верхней и нижней мантии, разделенными пограничным слоем. Другие поддерживают модель общемантийной конвекции, при которой вся мантия от границы ядро-мантия (D''-слой) до литосферы конвецирует как единая, хотя и сложная система. Разрешение этого спора требует интеграции данных сейсмической томографии, геохимических исследований пород мантийного происхождения (например, кимберлитов и базальтов) и усовершенствованного численного моделирования.

Наличие и свойства астеносферы напрямую влияют на проявления вулканизма и сейсмичности. Например, горячие точки, такие как Гавайи, объясняются восходящими мантийными плюмами, которые могут генерироваться на различных глубинах. Прохождение плюма через пластичную астеносферу способствует его декомпрессионному плавлению и формированию крупных вулканических провинций. Кроме того, граница литосфера-астеносфера является важным сейсмическим рефлектором, а ее рельеф и свойства могут влиять на локализацию глубокофокусных землетрясений и характер изостатической компенсации (например, постледникового гляциоизостатического поднятия территорий).

Изучение астеносферы проводится с помощью комплекса методов, среди которых лидирует сейсмология, в частности сейсмическая томография и анализ поверхностных (LR) и объемных сейсмических волн. Гравиметрические исследования фиксируют изостатические аномалии, связанные с плотностными неоднородностями в верхней мантии. Геотермические расчеты позволяют оценить тепловой поток и температурный режим на глубине. Лабораторные эксперименты по физике минералов при высоких давлениях и температурах, моделирующих условия мантии, дают данные о реологии и фазовых переходах. Важную информацию также поставляют геохимические исследования мантийных ксенолитов, выносимых на поверхность магмами.

Таким образом, астеносфера представляет собой динамичный и критически важный слой в механизме функционирования нашей планеты. Ее изучение остается на переднем крае наук о Земле, объединяя геофизику, геохимию и тектонику. Понимание природы зоны низких скоростей и границы LAB продолжает углубляться благодаря развитию новых технологий наблюдений и вычислительных мощностей для моделирования. Исследования в этой области имеют не только фундаментальное значение для реконструкции эволюции Земли, но и практический аспект для оценки геодинамических рисков и поиска полезных ископаемых, связанных с глубинными процессами.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.