Aardmantel

De samenstelling van de mantel is nog niet tot in alle details bekend. Wel zijn er redelijke schattingen over de gemiddelde chemische samenstelling (bulk mantle compositions). Deze schattingen worden gedaan door de gemiddelde samenstelling van de Aarde (waarvan wordt aangenomen dat ze een chondritische compositie heeft) te nemen en hier de samenstellingen van de korst en kern af te halen.

De mantel bestaat grotendeels uit vast materiaal - silicaten, waaronder het magnesium-ijzer silicaat olivijn (Mg,Fe)₂(SiO₄)) overheerst - zoals blijkt uit het feit dat zowel longitudinale als transversale trillingen zich erin voortplanten. De temperatuur, die in de ondermantel tot 3200 °C oploopt, is weliswaar hoger dan het normale smeltpunt van de mineralen waaruit de mantel gevormd is, maar door de hoge druk wordt het smeltpunt aanzienlijk verhoogd.

Op sommige plekken op Aarde kan de mantel aan het aardoppervlak bestudeerd worden, omdat stukken mantel door tektoniek of vulkanisme aan het oppervlakte terecht zijn gekomen. Er zijn drie situaties waarin mantelmateriaal aan het oppervlak komt:

1. In zogenaamde ofiolieten, dat zijn stukken oceanische korst die langs overschuivingen bovenop continentale korst zijn komen te liggen. Veel gebergten bevatten ofiolieten, maar ook in andere situaties komen ze voor. Onderaan de ofioliet bevinden zich mantelgesteenten, die van onder de oceaan afkomstig zijn. De meeste typen ofiolieten zijn echter oorspronkelijk oceanische korst van boven subductiezones, waar door de grote hoeveelheid door de mantel omhoog bewegende vloeistoffen geen standaard mantel materiaal te vinden is. Ze zijn daarom niet representatief voor de gemiddelde mantel.
2. In tektonische lenzen in gebergten (het zogenaamde Alpinotype peridotiet). Het nadeel van deze mantelgesteenten is dat ze tijdens de gebergtevorming verschillende stadia van metamorfose en metasomatisme hebben doorlopen en daarom niet meer hun oorspronkelijke samenstelling hebben.
3. Als xenolieten, stukken mantel die door magma omhoog gebracht zijn en na stolling van de magma in een vulkanisch of dieptegesteente terecht zijn gekomen. Mantelxenolieten worden gevonden in veel vulkanische situaties, maar om iets over de samenstelling van de mantel te kunnen zeggen moeten ze snel van hun oorspronkelijke positie naar het oppervlak zijn gebracht. Daarom zijn vooral mantelxenolieten uit mid-oceanische ruggen en uit kimberlieten interessant. Kimberlieten zijn vulkanische pijpen uit het Archeïcum, vooral bekend als vindplaats voor diamanten.

Mantelgesteenten bestaan meestal uit de drie mineralen olivijn, orthopyroxeen en clinopyroxeen. Meestal zijn er nog meer fasen aanwezig zoals granaat, spinel of plagioklaas en diverse oxiden en ertsen. Als een mantelgesteente een redelijke fractie olivijn bevat wordt het een peridotiet genoemd. Men neemt aan dat dit in de mantel normaal gesproken lherzoliet is. Partieel smelten vindt plaats door het afnemen van de druk in omhoogkomend warm mantelmateriaal. De smelt is basaltisch van samenstelling en de achterblijvende peridotiet is verarmd (depleted) in clinopyroxeen, men spreekt dan van een harzburgiet. De bovenmantel onder de mid-oceanische ruggen bevat veel harzburgiet.

Mantelconvectie is de convectiestroming in de mantel. Deze stroming werd voor het eerst verondersteld door de geoloog Arthur Holmes als verklaring voor de beweging van de continenten in de jaren 40. Pas halverwege de jaren 60 kon de mantelconvectie ook seismisch in beeld worden gebracht.

Het voorkomen van mantelconvectie is een belangrijk onderdeel van de theorie van platentektoniek. Behalve dat de stroming de aandrijvende kracht voor de continentbewegingen vormt, zorgt het in de mantel zinken van tektonische platen (subductie) ook voor het in stand houden van de convectie. Het relatief hoge soortelijk gewicht van de relatief koele stukken lithosfeer die in de mantel zinken houdt de convectiestroming in stand. Inmiddels is vrijwel onomstreden dat de subducerende lithosfeer tot aan de grens van de mantel en de kern kunnen zinken. Of dit daadwerkelijk gebeurt of dat de neerwaartse stroming soms bij de manteltransitiezone ophoudt, is nog niet duidelijk.

Volgens de theorie is de convectiestroming omhoog gericht onder divergente plaatgrenzen, waar de lithosfeer uit elkaar beweegt en door partieel smelten van het omhoog komende mantelmateriaal oceanische korst gevormd wordt.

Op sommige plekken aan het aardoppervlak komt vulkanisme voor, zonder dat er zich een plaatgrens bevindt. Voorbeelden zijn eilandketens als Hawaï of de Mount Cameroon in Afrika. Deze plekken worden hotspots genoemd en vaak verklaard met zogenaamde mantelpluimen, hete omhoog gerichte stromingen in de mantel. Mantelpluimen zijn een vorm van diapirisme, waarbij het hete materiaal uit de onderste regionen van de mantel door kouder materiaal omhoog beweegt.

Om vast te stellen van hoe diep mantelpluimen komen wordt de lava die bij hotspots aan het oppervlakte ligt bestudeerd. Onder andere vanwege de verhouding van helium-isotopen in deze lava's wordt vermoed dat ze afkomstig zijn van de kern-mantelgrens.