Исследовательская группа разгадала загадку скачка вязкости в нижней мантии Земли

Международная исследовательская группа под руководством профессора Томо Кацуры из Баварского исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики Университета Байройта обнаружила причину резкого увеличения вязкости пород в недрах Земли на глубинах от 800 до 1200 км. Причиной этого изменения являются обогащённые бриджманитом породы, составляющие большую часть нижней мантии Земли ниже отметки около 1000 км. Эти породы имеют значительно больший размер зерна, чем породы над ними, что приводит к высокой вязкости. Новые результаты опубликованы в журнале Nature.

Бриджманит — самый распространённый минерал в нижней мантии Земли, которая простирается с глубины 660 км до 2900 км и занимает около половины всей планеты. Учёные из Германии, Китая, Франции, Великобритании и США обнаружили, что размер зерна бриджманита увеличивается на глубине около 1000 км, поскольку породы нижней мантии обогащаются бриджманитом с увеличением глубины. В результате наблюдается заметное увеличение вязкости в верхней части нижней мантии, поскольку вязкость положительно зависит от размера зерна.

Верхняя часть нижней мантии состоит из пиролита. Эта порода содержит 20 об.% других минералов помимо бриджманита. Эти дополнительные минералы препятствуют росту зерна бриджманита. С другой стороны, в обогащённых бриджманитом породах доля таких минералов гораздо меньше, что позволяет бриджманиту свободно расти до крупных зёрен.

Полученный скачок вязкости влияет на широкий спектр геофизических и геохимических процессов. «Хотя погружающиеся плиты опускаются в нижнюю мантию довольно плавно, их погружение замедляется в верхней её части. С другой стороны, подъём мантийных плюмов, которые создают вулканы в разных областях земной поверхности, по-видимому, ускоряется выше глубины 1000 км. Хотя эти наблюдения было трудно понять, теперь мы можем объяснить их рационально», — говорит первый автор, профессор Хунчжань Фэй.

Высоковязкие обогащённые бриджманитом породы сформировались на раннем этапе истории Земли. Из-за своей высокой вязкости мантийная конвекция не может смешать их с другими компонентами мантии. В результате эти породы сохранялись в глубокой нижней мантии в течение миллиардов лет.

Профессор Томо Кацура связывает новые результаты с сейсмическими наблюдениями: «Сейсмологи показали, что многие погружающиеся плиты застаиваются в слое между 600 и 1500 км глубины. Они также показали, что хотя плюмы поднимаются вертикально и могут быть чётко визуализированы ниже глубины 1000 км, выше этой глубины их становится трудно зафиксировать. Наша новая теория может объяснить эти наблюдения. Поскольку вязкость увеличивается с глубиной, плитам трудно проникнуть в области глубже 1000 км. С другой стороны, плюмы поднимаются быстрее на этой глубине, становятся тоньше, и их сложнее визуализировать».