Визуализация потока расплавленной породы через мантию океанического дна

Новую информацию о формировании большей части земной коры получили исследователи, использовавшие источник продвинутых фотонов (APS) в Национальной лаборатории Аргонн для получения беспрецедентных трёхмерных рентгеновских изображений расплавленной породы. Их результаты, опубликованные в журнале Science, дают более сложную картину пористости пород и разрешают противоречие между проницаемостью и скоростью движения расплава.

Там, где тектонические плиты Земли расходятся в центрах спрединга океанического дна, мантийная порода частично плавится и просачивается вверх, в итоге затвердевая и формируя новую кору. Геологи затруднялись согласовать оценки проницаемости частично расплавленной мантии с анализами скорости подъёма расплава. В экспериментах по микротомографии на линии 2-BM отдела рентгеновской науки APS, команда учёных из Океанографического института Вудс-Хоул, Университета Западной Австралии и Аргонна впервые напрямую визуализировала сложную сеть, образованную расплавленной фракцией внутри в основном твёрдой породы.

Верхняя мантия Земли состоит в основном из оливина и других минералов с более низкой температурой плавления. Геофизики, используя измерения скоростей сейсмических волн, оценивают, что 1–2% мантии под срединно-океаническим хребтом Восточно-Тихоокеанского поднятия находится в расплавленном состоянии. Эта доля расплава подразумевает относительно низкую проницаемость этих пород. Однако геохимические анализы базальтов хребта показывают, что относительные содержания изотопов урана, тория и радия, принадлежащих одной цепочке распада, не достигли равновесных значений, что указывает на быстрый подъём магмы с больших глубин, требующий высокой проницаемости.

«Слабым звеном является использование термодинамической модели для угадывания структуры породы», — пояснила соавтор статьи Вэньлу Чжу из Университета Мэриленда. Проницаемость зависит от тонких деталей того, как расплавленная фракция внутри породы соединяется в сеть. Чжу и её коллеги провели рентгеновские исследования нагретого и сжатого базальта, чтобы напрямую визуализировать трёхмерную сеть, образующуюся при разной доле расплава. При доле расплава от 2% до 20% исследователи наблюдали взаимосвязанную сеть каналов расплава, идущих вдоль границ, где встречаются три или более зерна оливина, что в целом согласуется с термодинамическими прогнозами.

Однако при более высоких долях расплава изображения показывают плёнки расплавленного материала, покрывающие границы между соседними зёрнами, но эти плёнки гораздо менее выражены при низких долях расплава. «Структура не так проста, как предсказывали модели», — отметила Чжу. Эта более сложная структура меняет показатель степени в степенном законе, связывающем проницаемость с размером зерна.

Чтобы понять, почему доля расплава в мантийных породах составляет 2%, а не меньшую предсказанную величину, Чжу предлагает думать об их структуре не как о губке, а скорее как о снежке. Матрица сильно сжатых зёрен мантии сопротивляется сжатию, так что сеть расплава между зёрнами не испытывает такого большого давления и, следовательно, не течёт так быстро, как ожидалось. Новые результаты показывают, что таким поведением нельзя пренебрегать. В будущем исследователи надеются визуализировать породы непосредственно во время нагрева и под давлением.