Logo
Cover

В 600 километрах под поверхностью планеты находится огромный мир экстремальных температур и давлений, проникнуть в который человечество пока не способно и может лишь с той или иной долей правдоподобия моделировать происходящие в недрах процессы. Новая детальная модель от исследователей Калифорнийского технологического института иллюстрирует удивительное поведение минералов глубоко в недрах Земли на протяжении миллионов лет и показывает, что процессы на самом деле происходят там совершенно иначе, чем предполагалось ранее.

Более глубокие части Земли нельзя исследовать, они находятся вне досягаемости ученых. Процессы там настолько медленные, что кажутся незаметными. Но поток в нижней мантии взаимодействует со всем, чего касается: это глубинный двигатель, который влияет на тектонику плит и может контролировать вулканическую активность.

Нижняя мантия планеты представляет собой твердую породу, но в течение сотен миллионов лет она медленно испаряется, как густая карамель, разнося тепло по недрам планеты — этот процесс называется конвекция. Многие вопросы о механизмах, обеспечивающих конвекцию, остаются без ответа. Экстремальные температуры и давления в нижней части мантии — до 135 гигапаскалей и тысяч градусов — затрудняют моделирование в лаборатории. Давление в нижней части мантии почти в тысячу раз превышает давление в самой глубокой точке океана.

Многие лабораторные эксперименты по физике минералов предоставили гипотезы о поведении пород нижней мантии, но процессы, происходящие в геологических временных масштабах и приводящие к вялому течению конвекции этой части мантии, были неопределенными.

Нижняя мантия в основном состоит из силиката магния, называемого бриджманитом, но также включает небольшое количество оксида магния, периклаза, смешанного с бриджманитом в дополнение к небольшому количеству других минералов. Лабораторные эксперименты ранее показали, что периклаз слабее бриджманита и легче деформируется, но эти эксперименты не учитывали, как минералы ведут себя в течение миллионов лет. При включении этих временных масштабов в сложную вычислительную модель ученые обнаружили, что зерна периклаза на самом деле прочнее окружающего их бриджманита.

Автор исследования Дженнифер Джексон предлагает сравнение с арахисовым маслом и кусочками арахиса в нем: «В течение десятилетий мы думали, что периклаз является тем самым арахисовым маслом и действует как смазка между более твердыми зернами бриджманита». Но все оказалось наоборот.

Зерна периклаза не влияют на вязкостное поведение, за исключением случаев, когда они сильно сконцентрированы. Под давлением подвижность периклаза намного медленнее по сравнению с бриджманитом. Существует инверсия поведения: периклаз почти не деформируется, в то время как основная фракция, бриджманит, контролирует деформацию в глубинной мантии Земли.

Понимание этих процессов важно для создания точных четырехмерных симуляций нашей планеты, а также для изучения строения и эволюции других планет.