Экспериментальное подтверждение гипотезы мантийных плюмов: рентгеновские лучи пролили свет на происхождение вулканических горячих точек

Ученые воссоздали экстремальные условия на границе между ядром Земли и её мантией на глубине 2900 км. Используя самый яркий в мире пучок рентгеновских лучей, они исследовали микроскопические образцы горных пород при очень высоких температуре и давлении и впервые показали, что частично расплавленная порода в этих условиях становится плавучей и должна отделяться по направлению к поверхности Земли. Это наблюдение является веским доказательством теории о том, что вулканические горячие точки, такие как Гавайские острова, происходят от мантийных плюмов, зарождающихся на границе ядро-мантия.

Результаты опубликованы в журнале Nature 19 июля 2012 года. Большинство вулканов расположено там, где сталкиваются или расходятся континентальные плиты. Однако горячие точки имеют другую природу, так как часто находятся вдали от границ плит. Одно из объяснений — узкие потоки магмы, поднимающиеся к поверхности от границы между жидким железным ядром и твердой силикатной мантией. Споры о существовании таких мантийных плюмов — одна из главных дискуссий среди геологов.

Международная группа ученых во главе с Денисом Андро из Университета Блеза Паскаля сжала микроскопические образцы породы между алмазными наковальнями до давления более миллиона бар и нагрела лазером до 3000–4000 °C, что соответствует условиям 200-километрового слоя на границе ядро-мантия. С помощью высокоинтенсивного рентгеновского излучения Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) ученые определили, что именно содержание железа делает расплавленную породу в этих условиях легче твердой.

«Гравитация заставляет легкую жидкую породу медленно подниматься, как пузырь в воде, пока она не достигнет поверхности, где магматический плюм сформирует вулкан», — поясняет Денис Андро. Эти результаты также важны для понимания ранней истории Земли, объясняя, почему многие химические элементы постепенно накапливались в коре.