Измерения вязкости дают новое представление о мантии Земли

Международной исследовательской группе с участием доктора Лонгцзяня Се из Баварского исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики (BGI) Университета Байройта впервые удалось измерить вязкость расплавленных твердых веществ в условиях давления и температуры, характерных для нижней мантии Земли. Полученные данные подтверждают гипотезу о формировании в ранней истории Земли на глубине около 1000 километров — на границе с верхней мантией — обогащенного бриджманитом слоя породы. Данные также указывают на то, что в нижней мантии могут существовать крупные резервуары материалов, унаследованных от раннего магматического океана и сохранившихся до наших дней. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Для измерений вязкости ученые использовали разработанный ими нагревательный элемент на основе электропроводящего легированного бором алмаза. Это позволило исследовать образцы материалов в прессе с множественными наковальнями при давлениях до 30 гигапаскалей и температурах почти 3000 °C — условиях, близких к тем, что существовали в нижней мантии ранней Земли. Состав образцов был подобен основным минералам нижней мантии. С помощью сверхбыстрой камеры (1000 кадров/с) наблюдались процессы плавления, и измерялась вязкость расплава.

Полученные данные оказались особенно информативными в отношении магматического океана, из которого в течение истории Земли сформировалась мантия. Измерения вязкости показали, что кристаллизация магматического океана в значительной степени зависела от уровня давления, что привело к так называемой фракционной кристаллизации на глубине около 1000 км. «Наши данные подтверждают гипотезу о том, что на этой глубине в результате процессов кристаллизации сформировался слой породы с высоким содержанием минерала бриджманита. Этот слой может быть причиной высокой вязкости, наблюдаемой на этой глубине в предыдущих геофизических исследованиях», — объясняет доктор Лонгцзянь Се, ведущий автор исследования. В международную команду также входят ученые из Университета Окаямы и синхротрона Spring-8 (Япония), а также Университета Клермон-Овернь и синхротрона SOLEIL (Франция).