Мантия Земли представляет собой наиболее объёмную часть планеты, занимающую промежуток между корой и внешним ядром на глубинах от приблизительно 30 до 2900 км. Основу её вещества составляют силикатные минералы, обогащённые магнием и железом, при относительно низком содержании алюминия, кальция и натрия. Главными породообразующими минералами верхней мантии являются оливин ((Mg,Fe)₂SiO₄), пироксены (энстатит, диопсид) и гранат. В нижней мантии доминируют высокобарические модификации силикатов: бриджманит (Mg,Fe)SiO₃ и ферропериклаз (Mg,Fe)O.
Химический состав мантии в целом близок к составу хондритовых метеоритов, что указывает на её происхождение из первичного материала протопланетного облака. Среднее содержание основных элементов в мантии составляет: кислород — около 44%, магний — 22,8%, кремний — 21%, железо — 6,3%, кальций — 2,5%, алюминий — 2,4%. Следовые элементы, включая никель, кобальт, хром, титан и редкоземельные элементы, присутствуют в минорных количествах, но имеют важное геохимическое значение, отражая процессы дифференциации вещества.
Верхняя мантия характеризуется зоной частичного плавления, что обусловлено понижением давления и изменением состава летучих компонентов, таких как H₂O и CO₂. Эти летучие вещества снижают температуру плавления перидотитов, что приводит к формированию базальтовых магм, поднимающихся в литосферу.
Мантия разделяется на несколько структурных уровней: верхнюю мантию, переходную зону и нижнюю мантию. Верхняя мантия простирается до глубины около 410 км и включает астеносферу, обладающую частичной пластичностью. Под действием температурного градиента и давления в этой зоне реализуется медленное пластическое течение вещества, обеспечивающее тектоническую подвижность литосферных плит.
На глубинах 410–660 км располагается переходная зона, характеризующаяся фазовыми переходами минералов оливиновой группы. При 410 км α-оливин (форстерит) переходит в β-модификацию (вадслеит), а при 520 км — в γ-модификацию (рингвудит). Эти переходы сопровождаются увеличением плотности и изменением упругих свойств. Граница на глубине 660 км соответствует превращению рингвудита и пироксенов в бриджманит и периклаз, что отмечает начало нижней мантии.
Нижняя мантия (660–2900 км) состоит преимущественно из бриджманита и ферропериклаза, с примесью кальцийсиликата CaSiO₃ в перовскитовой структуре. Здесь вещество более плотное и менее подвижное, однако проявления медленных конвективных течений сохраняются.
Температура в мантии изменяется от примерно 1300 °C у верхней границы до 3700 °C у контакта с внешним ядром. Давление возрастает от 1 ГПа у подошвы коры до более чем 130 ГПа на глубине 2900 км. Эти экстремальные условия приводят к существованию минералов в устойчивых высокобарических фазах и определяют их физико-химическое поведение.
Движение вещества в мантии происходит в форме конвекции, обусловленной различиями плотности, температурными градиентами и радиогенным тепловыделением. Конвективные потоки обеспечивают передачу тепла из глубинных областей к поверхности и играют решающую роль в тектонической эволюции планеты. Существуют два типа конвективных движений: мелкомасштабная конвекция, связанная с астеносферой и спредингом океанических хребтов, и глубинная конвекция, охватывающая всю толщу мантии и определяющая долговременные тепловые потоки Земли.
По геофизическим данным, в мантии присутствуют восходящие потоки — плюмы, доставляющие горячее вещество из глубин к поверхности. Плюмы формируют области повышенного вулканизма — горячие точки. Противоположно направленные нисходящие потоки связаны с субдукцией холодных литосферных плит. Этот непрерывный обмен веществом обеспечивает тепловое равновесие и химическую эволюцию мантии.
Мантия является главным резервуаром литофильных и сидерофильных элементов, определяющих химическую эволюцию планеты. Геохимическое поведение элементов в мантии контролируется их сродством к кислороду, сере и железу, а также состоянием окислительно-восстановительной среды.
Литофильные элементы (Mg, Si, Al, Ca, Na, K, Ti) концентрируются в силикатных фазах, сидерофильные (Fe, Ni, Co) частично были извлечены в металлическое ядро, а халькофильные (Cu, Zn, Pb, S) образуют сульфидные соединения. Распределение редкоземельных элементов, урана, тория и калия отражает тепловую эволюцию мантии, поскольку эти элементы ответственны за радиогенное теплообразование.
Магматические процессы, происходящие в мантии, приводят к частичному плавлению и формированию расплавов различного состава. Эти расплавы при подъёме подвергаются фракционированию, создавая разнообразие магматических пород — от базальтов до кимберлитов. Дегазация летучих компонентов сопровождает эти процессы, формируя флюидные фазы, которые играют важную роль в метасоматических изменениях мантии и в геохимии земных оболочек.
Основные представления о строении и динамике мантии основаны на данных сейсмологии, гравиметрии и геодинамического моделирования. Сейсмические волны различного типа (P- и S-волны) отражают неоднородности плотности, температуру и состав пород. На глубинах 410 и 660 км регистрируются чёткие скачки скоростей волн, соответствующие фазовым переходам минералов.
В нижней мантии выявлены области пониженных скоростей — LVS-зоны, интерпретируемые как зоны восходящих потоков или локальные участки повышенной температуры. У подошвы мантии, на границе с внешним ядром, располагается слой D’’ (Ди-два штрих), обладающий сложной структурой и, вероятно, состоящий из смеси силикатного и металлического вещества. Он служит ключевой областью взаимодействия между мантией и ядром, где возможно формирование плюмов и перераспределение тепловых потоков.
Современные геохимические и изотопные исследования показывают, что мантия не является химически однородной. Различают несколько резервуаров: первичную (примитивную) мантию, сохраняющую древний химический состав, обогащённые участки, подвергшиеся воздействию субдукции корового материала, и истощённую мантию, оставшуюся после частичного плавления. Эти резервуары выявляются по изотопным системам Sr-Nd-Pb-He, которые отражают степень переработки вещества и время его изоляции.
Долговременная динамика мантии определяется совокупностью тепловых, химических и механических процессов. Конвекция способствует перемешиванию вещества, однако сохранение гетерогенностей свидетельствует о существовании устойчивых барьеров обмена между слоями. Таким образом, мантия является не только тепловым двигателем планеты, но и сложной геохимической системой, где происходят непрерывные реакции перераспределения элементов, определяющие химическую эволюцию Земли.