Литосфера и астеносфера

Лабораторные методы изучения физических свойств литосферы и астеносферы

Изучение прочности, пластичности и вязкости горных пород проводится в лабораторных условиях с использованием специализированных прессов, позволяющих моделировать геодинамические условия. Основными параметрами являются:

Предел прочности при сжатии — определяется в одностороннем или трехосном режиме с учетом давления поровой жидкости.
Модуль Юнга и коэффициент Пуассона — получаются на основе анализа деформаций при нагружении.
Ползучесть — измеряется в условиях повышенной температуры и давления, особенно актуальна для астеносферного материала, характеризующегося медленной вязко-пластической деформацией.

В лабораториях применяются камеры высокого давления, имитирующие глубинные условия до 100 км, с возможностью температурного контроля до 1500 °C. Для астеносферных пород (в основном перидотитов) часто используются установки с постоянной нагрузкой или скоростью деформации для оценки реологических моделей: Нортоновская степенная зависимость, модель Максвелла и др.

Теплофизические свойства

Теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность определяются с использованием методов:

Импульсной тепловой нагрузки (Flash method) — для измерения температуропроводности.
Статического теплового потока — в установках, моделирующих геотермические градиенты.
Дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) — используется для изучения фазовых переходов и теплоемкости.

Для литосферных пород характерны сравнительно высокие значения теплопроводности (до 3–4 Вт/(м·К)), тогда как астеносферные породы из-за частичного плавления обладают пониженной теплопроводностью и большей теплоемкостью. Особенно важны данные по тепловому расширению, так как они позволяют моделировать бимодальную плотностную структуру на границе литосфера-астеносфера.

Электрофизические свойства

Электропроводность и диэлектрическая проницаемость изучаются в зависимости от минералогического состава, температуры и содержания флюидов:

Метод импедансной спектроскопии позволяет получить частотные зависимости комплексной проводимости.
Метод четырёхзондового измерения используется для точного определения удельного сопротивления образцов при различных температурах и давлениях.

Астеносфера обладает существенно большей электропроводностью по сравнению с литосферой, что связано с наличием расплава или водосодержащих минералов (амфиболы, слюды). Проведение экспериментов с варьированием содержания воды и температуры позволяет оценить чувствительность проводимости к этим параметрам, особенно важную для интерпретации данных магнитотеллурических зондирований.

Акустические свойства

Скорости распространения продольных (P) и поперечных (S) волн измеряются в лабораториях с помощью ультразвуковых преобразователей в условиях контролируемого давления и температуры. Эти данные позволяют:

Определять динамические модули упругости (модуль сдвига, объемный модуль).
Моделировать сейсмическую анизотропию — особенно важную в мантийных породах.
Оценивать наличие и ориентацию трещиноватости.

В литосфере волны распространяются быстрее (Vp ~ 7–8 км/с), тогда как в астеносфере — заметное снижение скоростей (до 6–7 км/с) связано с частичным плавлением. Лабораторные исследования с контролем увлажнения образцов показывают, что даже небольшое количество расплава (1–2%) способно значительно понизить скорость S-волн, что подтверждает интерпретацию сейсмического низкоскоростного слоя.

Плотностные характеристики и пористость

Измерения объёмной и зерновой плотности, открытой и закрытой пористости выполняются с использованием:

Пикнометрических методов — для определения истинной плотности минеральной составляющей.
Метода насыщения жидкостью и газов — для оценки открытой пористости.
Методов сканирующей электронной микроскопии (SEM) — для визуализации порового пространства.

Литосферные породы обладают низкой пористостью (менее 1% на глубинах более 10 км), в то время как в верхней астеносфере возможна межзерновая пористость, связанная с наличием расплава. Эксперименты показывают, что пористость сильно зависит от температуры и степени метаморфизма: при переходе от гранулитовой к амфиболитовой фации увеличивается герметичность пород.

Деформационные эксперименты высокого давления

Для понимания тектонической эволюции литосферы и конвективной динамики астеносферы применяются высокотемпературные трёхосные прессы и анализ микроструктур деформированных образцов. Изучаются:

Механизмы деформации: дислокационное скольжение, зернограничное ползучее течение, растворение–осаждение.
Текстуры ориентации минералов (CPO) — по данным электронно-оптической и рентгеновской дифракции.
Скорости рекристаллизации и формирования зон сдвига.

Такие данные крайне важны для моделирования глубинных деформаций и интерпретации сейсмической анизотропии в мантии, особенно в контексте субдукционных зон и подъема астеносферных плюмов.

Магнитные свойства

Магнитная восприимчивость, остаточная намагниченность и коэрцитивные параметры изучаются с использованием:

Вибрационного магнитометра (VSM),
Сквида-магнетометра (SQUID),
Термомагнитных анализаторов.

Литосферные породы (особенно базальты и габбро) характеризуются высокой остаточной намагниченностью, связанной с присутствием титаномагнетитов. В астеносферных породах намагниченность быстро падает с увеличением температуры, и выше точки Кюри (около 580 °C для магнетита) магнетизм исчезает. Это ограничивает глубинные масштабы магнитных аномалий.

Лабораторное моделирование процессов плавления

Для имитации условий астеносферы, где возможен частичный расплав, используются:

Плавильные камеры с контролем давления кислорода и температуры.
Анализ состава остатка и расплава методом электронно-зондового анализа и масс-спектрометрии.

Такие эксперименты позволяют:

Определить порог плавления при различных давлениях и содержаниях летучих компонентов.
Смоделировать генерацию базальтовых магм.
Уточнить состав астеносферного источника.

Геохимическая лабораторная аналитика

Методы ICP-MS, LA-ICP-MS, XRF и электронно-зондовый анализ применяются для определения:

Содержания редкоземельных и высокополяризуемых элементов.
Распределения элементов между минералами и расплавом.
Изотопных соотношений Sr, Nd, Pb, Hf, отражающих эволюцию литосферы и астеносферы.

Сравнение геохимических характеристик мантийных ксенолитов, извлеченных из литосферы и астеносферы, дает представление о глубинных границах, длительности процессов метасоматоза и масштабах переработки мантии.

Лабораторные методы, охватывающие широкий диапазон физических, механических, тепловых, электрических и химических свойств, позволяют реконструировать условия существования, эволюции и взаимодействия литосферы и астеносферы. Их применение имеет фундаментальное значение для понимания глубинных процессов Земли, интерпретации геофизических наблюдений и построения глобальных геодинамических моделей.