Альтернативный взгляд на внутреннюю структуру мантии Земли

«Предположение, что состав мантии Земли более или менее однороден, основано на относительно простой гипотезе, а именно на том, что мощные конвекционные потоки, протекающие в мантии, которые приводят в движение тектонические плиты, постоянно «перемешивают» ее»

Современное представление строения Земли заключается в том, что химический состав ее мантии относительно однороден. Однако эксперименты, проведенные исследователями ETH, продемонстрировали, что такой взгляд на вещи слишком прост. Результаты проведенного исследования отвечают на ключевые существующие вопросы, стоящие перед земными науками, и задают новые.

Есть места, которые будут недоступны нам всегда. Внутренняя область Земли - одно из них. Однако человек может найти способы понять этот неизведанный мир. Сейсмические волны, например, позволяют получить важные данные, характеризующие структуру нашей планеты и физические свойства материалов, скрытых глубоко внутри нее. Кроме того, существуют вулканические породы, которые выходят в разных местах наружу, давая важные подсказки о химическом составе земной мантии. И, наконец, есть лабораторные эксперименты, позволяющие моделировать условия, возникающие в недрах Земли в небольшом масштабе.

Резкое изменение

Под земной корой, толщиной всего несколько километров, находится мантия. Она состоит из расплавленного камня и окружает ядро планеты, поверхность которого находится примерно на расстоянии 2900 километров под землей. Благодаря сейсмическим сигналам известно, что на глубине около 660 километров в мантии происходит резкое изменение ее структуры: на этом уровне верхняя мантия встречается с нижней, и механические свойства породы начинают отличаться, поэтому на этой границе резко меняется скорость распространения сейсмических волн.

Что пока неясно, так это то, является ли это просто физической границей или же в этот момент также изменяется химический состав породы. Многие геологи предполагают, что структура мантии относительно равномерна и состоит из богатой магнием материи, по составу аналогичной перидотитовой породе, которую можно обнаружить на земной поверхности. Этот посланец из верхней мантии, прибывающий на поверхность Земли в результате извержения вулканов, демонстрируют соотношение магния и кремния, равной ~ 1,3.

«Предположение, что состав мантии Земли более или менее однороден, основано на относительно простой гипотезе, а именно на том, что мощные конвекционные потоки, протекающие в мантии, которые приводят в движение тектонические плиты, постоянно «перемешивают» ее».

Где кремний?

В этой гипотезе действительно есть фундаментальный недостаток. Принято считать, что Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад в результате аккреции метеоритов, находящихся в первичной солнечной туманности, и поэтому имеет тот же общий состав, что и сами эти метеориты. Разделение структуры Земли на ядро, мантию и кору произошло уже на втором этапе.

Не говоря уже о железе и никеле, которые являются частью ядра планеты, становится очевидным, что мантия должна содержать больше кремния, чем перидотитовая порода. Исходя из этих расчетов, соотношение магния и кремния в мантии должно быть ближе к ~ 1, чем ~ 1,3.

Это заставляет геологов задать следующий вопрос: где пропавший кремний? И есть очевидный ответ: в мантии Земли так мало кремния, потому что он находится в ядре Земли. Однако исследователи приходят к другому выводу, а именно к тому, что кремний находится в нижней мантии. Это тогда означало бы, что состав нижней отличается от состава верхней мантии.

Гипотеза слоев

Эта гипотеза основана на следующем: во-первых, уже точно известно, как быстро сейсмические волны проходят через мантию. Во-вторых, лабораторные эксперименты показывают, что нижняя мантия состоит в основном из кремнистого минерала бриджманита и богатого магнием минерала ферропериклаза. В-третьих, известно, что скорость распространения сейсмических волн зависит от упругости минералов, из которых состоит порода. Итак, если известны упругие свойства двух минералов, можно рассчитать пропорции, необходимые для корреляции с наблюдаемой скоростью сейсмических волн каждого из них. После этого можно узнать, каким должен быть химический состав нижней мантии.

В то время как упругие свойства ферропериклаза известны, свойства бриджманита пока неизвестны. Это потому, что эластичность этого минерала во многом зависит от его химического состава. Более конкретно: он варьируется в зависимости от того, сколько железа содержит бриджманит.

Длительные измерения

Исследователи провели эксперименты с минералом различного состава под высоким давлением. Сначала проводилось зажатие небольшого образца между двумя алмазными наконечниками с использованием специального устройства. Образец подвергся чрезвычайно высокому давлению, аналогичному тому, которое присутствует в нижней мантии.

Два алмаза, сжимающие образец, расположены в центре специального контейнера. Затягивание винтов создает давление, аналогичное давлению в нижней мантии. Предоставлено: M. Murakami, ETH Zurich

Во время эксперимента образцы горных пород зажимаются между двумя алмазными наконечниками, размер которых равен приблизительно 0,1 мм. Предоставлено: M. Murakami, ETH Zurich

Далее на образец был направлен лазерный луч и получен на обратной стороне световой спектр. Исследуя смещения в спектре волн, удалось определить упругость минерала при различном давлении.

Кремний обнаружен

Затем значения измерений были использованы для моделирования состава, который лучше всего соответствует распространению сейсмических волн. Результаты подтвердили теорию о том, что состав нижней мантии отличается от состава верхней. «По оценкам, бриджманит составляет от 88 до 93 процентов нижней мантии, что дает в этой области соотношение магний-кремний примерно 1,1». Гипотеза раскрывает тайну пропавшего кремния.

Однако полученные результаты вызывают появление новых вопросов. Известно, например, что в определенных зонах субдукции земная кора вдвигается глубоко в мантию, иногда даже до границы с ядром. Это означает, что верхняя и нижняя мантия на самом деле не являются герметично разделенными объектами. Как эти две области взаимодействуют и как именно динамика внутренней части Земли приводит к образованию химически различных областей мантии, узнать еще предстоит.

Источник: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich