Эксперименты в экстремальных условиях проясняют картину недр нашей планеты

Учёные смоделировали условия на глубине 2700 километров и изучили важное превращение самого распространённого на Земле минерала — бриджманита. Результаты, полученные на инструменте Extreme Conditions Beamline рентгеновского источника PETRA III в исследовательском центре DESY, показывают, как бриджманит превращается в структуру, известную как пост-перовскит. Эта трансформация влияет на динамику нижней мантии Земли, включая распространение сейсмических волн. Анализ может объяснить ряд необычных сейсмических наблюдений, как сообщает команда под руководством Себастьена Меркеля из Университета Лилля (Франция) в журнале Nature Communications.

Бриджманит — это магнезиально-железистый минерал ((Mg,Fe)SiO₃), кристаллическая структура которого нестабильна в обычных условиях. Он формируется примерно в 660 километрах под поверхностью Земли, и микрокристаллические зёрна, найденные в виде включений в метеоритах, — единственные образцы, когда-либо оказавшиеся на поверхности. «Чтобы изучить бриджманит в условиях нижней мантии, нам сначала пришлось его создать», — объясняет Меркель. Для этого учёные сжали крошечные количества оксида железа-магния-кремния в ячейке с алмазными наковальнями (DAC) — устройстве, которое может сжимать образцы под высоким давлением между двумя маленькими алмазными наковальнями.

Свежесозданный бриджманит затем подвергли ещё более высокому давлению в 1,2 мегабара (примерно в 1,1 миллиона раз выше давления на поверхности), что соответствует условиям самого нижнего слоя мантии Земли, прямо над ядром. Здесь сейсмические волны отражаются при прохождении через недра Земли, и характер их отражения зависит от свойств материала, с которым они сталкиваются. «Сейсмические волны иногда ведут себя странно в этом регионе, — говорит Меркель. — Иногда вы видите сильные отражения, а иногда не видите ничего».

Учёные давно подозревали, что структурное изменение внутри бриджманита является важной частью объяснения. «Мы знаем уже 15 лет, что бриджманит превращается в другую кристаллическую структуру, называемую пост-перовскитом, в этих условиях, но мы не знали, как быстро это происходит», — объясняет Меркель. Пост-перовскит состоит из тех же химических элементов, что и бриджманит, но имеет другую кристаллическую структуру, что приводит к иным характеристикам.

На инструменте Extreme Conditions Beamline (P02.2) в DESY учёные смогли исследовать динамику превращения. Оказалось, что оно происходит примерно за 10–10 000 секунд в зависимости от давления и температуры. Этот диапазон включает временные масштабы частоты сейсмических волн. «Это означает, что сейсмические волны могут запускать превращение, и оно, в свою очередь, может усиливать сейсмический сигнал, — подчёркивает Меркель. — Это наблюдение объясняет, почему иногда видны сильные отражения, а иногда нет. И это также может объяснить другие аномалии».

Граница мантии и ядра на глубине около 2900 километров не является такой же резкой, как зеркальная поверхность. Вместо этого в регионе примерно 200 километров над ядром, известном как слой D", перемещаются крупные плиты разного материала с разной структурой. «Можно думать об этом как о второй системе тектоники плит там, внизу», — объясняет Меркель. Кроме того, в пограничном слое толщиной около 100 километров бриджманит и пост-перовскит могут сосуществовать, что осложняет анализ сейсмических сигналов. Чем больше деталей учёные знают о физических характеристиках материала на границе, тем лучше анализ они могут провести. Это помогает не только исследовать сам пограничный регион, но и многие другие области внутри Земли, поскольку сейсмические волны проходят через все слои на своём пути. «Чем лучше мы знаем материальные характеристики на границе ядро–мантия, тем чётче наше представление о недрах Земли», — говорит Меркель.