Формирование картины строения мантии Земли

На глубине около 2900 км, на границе между металлическим ядром Земли и силикатной мантией, сейсмические наблюдения выявляют три различных структуры, состав которых важен для понимания эволюции и динамики нашей планеты. К ним относятся фрагменты погрузившихся тектонических плит, ультранизкоскоростные зоны, обогащенные железом, и крупные плотные провинции неизвестного состава. Команда под руководством профессора минеральной физики из Caltech Дженнифер Джексон получила новые данные о происхождении этих особенностей.

Исследователи обнаружили, что самым вероятным кандидатом на материал, формирующий плотные провинции, занимающие около 20% поверхности границы ядро-мантия и поднимающиеся на высоту до 1500 км, является бриджманит — самый распространенный минерал на планете. Этот вывод стал прорывом, поскольку лишь недавно появилась возможность точно измерить образцы бриджманита в условиях, близких к тем, что существуют в недрах Земли. Ранее не было ясно, может ли перовскитовая структура (Mg,Fe)SiO₃ объяснить сейсмические наблюдения и результаты геодинамического моделирования этих провинций. Команда показала, что это возможно, но для поддержания таких структур необходимы внешние силы, например, давление холодных погружающихся плит в основании мантии.

К таким выводам ученые пришли, проведя точные рентгеновские измерения синтетических образцов бриджманита, сжатых алмазными наковальнями до давления, превышающего атмосферное в миллион раз, и нагретых до тысяч градусов Цельсия. Измерения на синхротроне в Аргоннской национальной лаборатории позволили определить жесткость и плотность минерала в условиях нижней мантии, что, в свою очередь, помогло сравнить результаты с сейсмическими данными. Новые измерения показывают, что эти провинции, вероятно, плотные и богатые железом, что обеспечивает их стабильность в течение геологического времени.

Кроме того, с помощью синхротронной мессбауэровской спектроскопии команда изучила поведение железа в кристаллической структуре бриджманита и не обнаружила его распада или реакций при экстремальных температурах (более 2000 °C) и давлении (до 130 ГПа). Результаты также указывают, что эти провинции не могут содержать большого количества радиоактивных элементов, что накладывает строгие ограничения на их происхождение и подтверждает их возраст в сотни миллионов лет.

Эксперименты также предполагают, что остальная часть нижней мантии не состоит на 100% из бриджманита, как считалось ранее, и для соответствия средним геофизическим наблюдениям там должны присутствовать другие фазы. Предстоит еще много работы, например, по изучению динамики погружающихся плит, которая, как полагают ученые, играет роль в формировании этих крупных провинций бриджманита.