Constraining the composition of Earth's interior with mineral elasticity

Состав и температура недр Земли являются фундаментальными параметрами для понимания её внутреннего строения и динамики. Поскольку получить к ним прямой доступ невозможно, одним из наиболее практичных способов определить эти параметры является сопоставление данных сейсмических исследований с упругими свойствами минералов при высоких давлениях и температурах. Учёные из Научно-технического университета Китая представили обзор нового вычислительного метода, разработанного для решения этой задачи.

Традиционный метод расчёта упругих свойств минералов требует вычисления колебательной плотности состояний (DOS) для около 100 различных конфигураций, что является крайне ресурсоёмким. Новый метод, впервые предложенный Wu и Wentzcovitch в 2011 году, позволяет получать данные о зависимости упругих свойств от деформации через их зависимость от объёма, сокращая необходимое количество вычислений DOS примерно до 10. Это снижает вычислительную нагрузку более чем в 10 раз при сохранении сопоставимой с традиционным методом точности.

Применение этого метода позволило впервые получить точные данные об упругости ферропериклаза и исследовать влияние на него спинового перехода железа. Оказалось, что этот переход может вызывать видимые в сейсмотомографии аномалии, а также приводит к необычному эффекту: в определённом диапазоне температур модуль всестороннего сжатия ферропериклаза растёт с увеличением температуры. Это делает продольную волновую скорость (V_P) в средней части нижней мантии (~1750 км) нечувствительной к температурным аномалиям. Таким образом, спиновый переход железа в ферропериклазе, влияющий на свойства нижней мантии, находит подтверждение в трёх основных разделах геофизики: физике минералов, сейсмологии и геодинамике.