Мантия Земли: Новый численный инструмент описывает деформацию горных пород

Хотя и твердые, горные породы мантии Земли деформируются очень медленно. Команда профессора Патрика Кордье из Лаборатории материалов и превращений (Университет Лилля, Франция) разработала модель, позволяющую связать деформацию этих пород с мантийной конвекцией — фундаментальным двигателем тектоники плит — на временных масштабах в несколько миллионов лет. До сих пор ни один лабораторный экспериментальный метод не воспроизводил реальные условия деформации пород мантии. Применив эту модель к оксиду магния, присутствующему в мантии Земли, ученые показали, как атомные дефекты в этом минерале могут передаваться на более крупный масштаб и в течение длительных периодов времени.

Опубликованные в журнале Nature, эти результаты ставят под сомнение некоторые экспериментальные подходы при высоких давлениях и температурах. Они показывают, что только тонкий слой в самой нижней мантии можно рассматривать как вязкую жидкость; в остальной части мантия ведет себя как пластичное твердое тело.

Чтобы понять, как деформация, затрагивающая породы и минералы в глубинах Земли, влияет на мантийную конвекцию, команда разработала новый численный подход. Интегрировав концепции физики твердого тела и механизмы деформации материалов, ученые смогли описать поведение минералов в ранее недоступных временных масштабах и в экспериментально недостижимых условиях.

Исследователи смоделировали деформацию оксида магния (MgO) при давлении и температуре, идентичных условиям мантии (около миллиона атмосфер и температура в несколько тысяч градусов). Это позволило наблюдать наличие атомных дефектов, называемых дислокациями. По мнению ученых, такие дислокации являются основной причиной пластической деформации мантии — фундаментального двигателя тепловой машины Земли (тектоника плит, вулканы, землетрясения и т.д.).

С точки зрения геофизики, эти результаты меняют некоторые устоявшиеся представления. Для моделирования мантийной конвекции мантию обычно рассматривают как вязкую жидкость на длительных временных масштабах. В данном исследовании ученые показывают, что так ведет себя только тонкий слой в самой нижней мантии. В остальной ее части концепция вязкости неприменима, и порода ведет себя как пластичное твердое тело. Эти данные открывают новое направление исследований, связывающее дислокации в твердых телах на атомном уровне с течениями на масштабе всей мантии.