Геологи нахимичили с земной мантией

Утверждение, что мантия нашей планеты, в целом однородна, и её поведение легко описать законами термодинамики, подвергся геофизиками глубокому переосмыслению, благодаря исследованиям Николаса Шмерра и Эдварда Гарнеро из колледжа по изучению Земли и космоса Университета Аризоны. По их представлению, не последнюю роль в жизни мантии играют химические процессы, а совокупность химических, температурных параметров и наличие давления оказывают значительное влияние на верхний слой литосферы, определяя процессы сдвига и наложения литосферных плит и извержения уснувших вулканов.

Согласно старой простейшей модели, мантия – это однородный кисель, верхние, более холодные слои которого постепенно опускаются вниз, а нижние, более горячие поднимаются вверх. Вместе с опускающимися участками мантии «тонет» и часть земной коры, которая при этом трансформируется в новые минералы подобно тому, как графит превращается в алмаз.

Работы Шмерра и Гарнеро опровергают эти предположения, базируясь на сейсмологических исследованиях поведения различных участков мантии.

Ими были детально изучены критические глубины, на которых протекают фазовые превращения одних веществ мантии в другие. Под огромными давлениями на глубине в 410 км минерал оливин превращается в более плотный уэдслиит (вадслеит). Далее, на глубине 520 км уэдслиит переходит в рингвудит, после чего на глубине в 660 км превращается в перовскит и магнезиовюстит. Движущей силой этих процессов являются исключительно изменения температуры и давления.

В своей работе Шмерр и Гарнеро использовали массив из пятисот сейсмографов, установленных на материке Южно-Американского континента. Скорость и фазовые отношения волн, генерируемых землетрясениями и проходящих через глубинные слои литосферы, позволяют сделать суждение не только о месте залегания материала, но и о его физических параметрах, таких как плотность, рыхлость, наличие разломов, вздутий и впадин.

Проводя сейсмические исследования в районе Южной Америки, Шмерр обнаружил аномалии в поведении вещества мантии на глубине 410 км. Традиционные выкладки предсказывают, что переход оливина в уэдслиит под южноамериканской литосферной плитой должен происходить на чуть меньшей глубине из-за сравнительно низкой температуры и большей плотности земной коры в этой области. Материал под Южной Америкой холоднее, потому что включает части земной коры, прежде составлявших дно океана. Кроме того, с запада эту плиту сжимает, «подныривая» под неё, плита Наска, образующая дно Тихого океана в его восточной части.

Как оказалось, фазовый переход оливина в уэдслиит, напротив, провален вглубь.

Геофизики и геологи уже давно догадывались о том, что управление процессами в мантии – не прерогатива температуры. Опускающаяся вглубь литосферы земная кора приносит новые минералы и элементы в состав мантии, которые могут существенным образом отражаться на температурном режиме и давлении в этих областях.

Шмерр, базируясь на своих исследованиях, впервые берет на себя смелость предположить особую роль водорода и железа в этих процессах.

По его словам, водород, входящий в состав молекул воды, опускается в мантию вместе с участками земной коры. Этот водород может вмешаться в процесс фазового перехода на уровне 410 км и сделать образующийся уэдслиит менее плотным. Эта новая фаза более «плавуча» по сравнению с окружающим материалом. Однако с течением времени «гидратированный» уэдслиит опускается ниже точки фазового перехода, в результате чего нижняя граница зоны фазового перехода отражает сейсмические волны, которые и наблюдал Шмерр.

С другой стороны, минералы опускающейся земной коры, богатые марганцем и обедненные железом, более устойчивы к высоким давлениям и температурам, в результате чего граница фазового перехода оливин - уэдслиит – так же отодвигается в более глубинные участки мантии.

Эта теория позволяет объяснить аномалии, в результате которых граница перехода в мантии под южноамериканской литосферной плитой оказывается проваленной. По мнению экспертов, эта работа явно демонстрирует, что химические реакции, протекающие в мантии, нельзя игнорировать.