Аномальная вязкость базальтового расплава в условиях мантии ограничивает временные масштабы ранних магматических океанов

Исследователи из Университета Саскачевана (Канада) совместно с коллегами из Чжэцзянского технологического университета (Китай) и Центра вычислительных наук RIKEN (Япония) добились значительного прогресса в определении возраста ранних магматических океанов Земли. Результаты недавно опубликованы в журнале Nature Communications.

Эволюцию ранних магматических океанов Земли определяли такие транспортные свойства расплавов, как диффузия и вязкость. В этой работе авторы изучили эволюцию структур, плотностей и транспортных свойств реалистичной модели базальтового расплава (CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂) в зависимости от давления. Вычисления проводились методом молекулярной динамики из первых принципов, имитируя условия давления и температуры в мантии Земли. Команда под руководством профессора Джона С. Цзе обнаружила аномалию в виде обращения тренда транспортных свойств (диффузии и вязкости) в условиях нижней мантии. Это обращение связано с временными атомными взаимодействиями при высоком давлении, которые являются флюктуационными и хрупкими.

Ключевую роль в формировании транспортных свойств сыграли связи кремний-кислород и алюминий-кислород. Исследователи наблюдали, что при давлениях примерно выше 50 ГПа эти связи становятся очень хрупкими и часто разрываются. Происходит чрезвычайно быстрое взаимопревращение между пяти-, шести- и семикратной координацией атомов кремния и алюминия относительно атомов кислорода. Такое флюктуационное поведение связей, как ожидается, изменяет транспортные свойства, повышая диффузию и снижая вязкость в этом диапазоне давлений.

Вязкость — критически важный параметр, контролировавший практически все динамические процессы в ранних магматических океанах. Считается, что магматические океаны ответственны за формирование металлического ядра и силикатной мантии в результате дифференциации, а также атмосферы и гидросферы через дегазацию. Ранее предполагалось, что время кристаллизации магматического океана составляет от тысяч до миллионов лет и зависит от вязкости магмы. Исходя из предположения о высокой вязкости, прогнозировались временные масштабы порядка ~100–200 миллионов лет. Более поздние исследования с другими допущениями сократили это время до нескольких миллионов лет. Расчёты с обращённым трендом при ~50–82 ГПа предсказывают величину вязкости базальтовых расплавов в условиях нижней мантии около ~0.1 Па·с. Это подтверждает короткие временные масштабы существования магматических океанов — всего несколько миллионов лет.

«Мы не только успешно ограничили короткие временные масштабы магматических океанов несколькими миллионами лет, но и предложили интригующее объяснение горизонтальным отклонениям суперплюмов на глубине около 1000 км под поверхностью Земли», — заявил Джон С. Цзе.