Рентгеновские лучи раскрывают внутреннюю структуру древнего магматического океана Земли

Учёные впервые исследовали структуру расплавленной магмы в условиях, соответствующих глубокой мантии Земли, используя самый мощный в мире источник рентгеновского излучения. Анализ на источнике синхротронного излучения PETRA III в DESY показал, что расплавленный базальт меняет свою структуру под давлением до 60 гигапаскалей (ГПа), что соответствует глубине около 1400 километров. В таких экстремальных условиях магма превращается в более жёсткую и плотную форму, сообщает команда под руководством Кристель Санлуп из Эдинбургского университета в журнале Nature.

Полученные данные подтверждают концепцию о том, что в ранней мантии Земли существовало два магматических океана, разделённых кристаллическим слоем. Сегодня эти предполагаемые океаны кристаллизовались, но расплавленная магма всё ещё существует в локальных очагах и, возможно, тонких слоях в мантии.

«Силикатные жидкости, такие как базальтовая магма, играют ключевую роль на всех этапах эволюции глубинных недр Земли — от формирования ядра и коры миллиарды лет назад до вулканической активности сегодня», — подчеркнула Санлуп. Для исследования поведения магмы в глубокой мантии учёные сжимали небольшие образцы базальта в алмазной наковальне, создавая давление до 600 000 атмосфер. Однако, чтобы изучить базальтовую магму в расплавленном состоянии, образцы сначала нужно было расплавить, что и было сделано с помощью двух мощных инфракрасных лазеров на станции ECB (P02) PETRA III.

Мощные рентгеновские лучи показали, что координационное число кремния (самого распространённого элемента в магмах) в расплаве увеличивается с 4 до 6 под высоким давлением. Это означает перестройку структуры, где каждый ион кремния окружён шестью атомами кислорода вместо обычных четырёх. В результате плотность базальта возрастает с примерно 2.7 г/см³ до почти 5 г/см³ при 60 ГПа. В отличие от кристаллических силикатов мантии, где это изменение происходит резко при 25 ГПа (граница верхней и нижней мантии), в магме оно происходит постепенно в интервале от 10 до 35 ГПа.

Такое поведение объясняет возможность существования слоистых магматических океанов в ранних недрах Земли. При низком давлении магмы гораздо более сжимаемы, чем их кристаллические аналоги, но выше 35 ГПа они становятся почти такими же жёсткими. Это означает, что на ранней стадии кристаллизации Земли магма могла быть отрицательно плавучей в основании как верхней, так и нижней мантии, что привело к образованию двух магматических океанов, разделённых кристаллическим слоем. Эта модель согласуется с геохронологическими оценками продолжительности эры магматического океана в десятки миллионов лет, в то время как модели охлаждения единого океана предсказывают его затвердевание всего за миллион лет. Сегодня остатками этого нижнего магматического океана могут быть расплавленные карманы, обнаруженные сейсмологией на границе ядра Земли.