Температура недр Земли влияет на все, от движения тектонических плит до формирования планеты.
Новое исследование, проведенное Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI), предполагает, что мантия - в основном твердая, каменистая часть недр Земли, которая находится между ее перегретым ядром и внешним слоем земной коры - может быть горячее, чем считалось ранее.. Новое открытие, опубликованное 3 марта в журнале Science, может изменить взгляд ученых на многие вопросы науки о Земле, в том числе на то, как формируются океанские бассейны.
«На срединно-океанических хребтах тектонические плиты, образующие морское дно, постепенно расходятся», - говорит ведущий автор исследования Эмили Сарафян, аспирант совместной программы MIT-WHOI.«Порода из верхней мантии медленно поднимается, чтобы заполнить пустоту между плитами, плавится по мере снижения давления, затем охлаждается и снова затвердевает, образуя новую кору на дне океана. Мы хотели иметь возможность смоделировать этот процесс, поэтому нам понадобилось узнать температуру, при которой поднимающаяся мантийная порода начинает плавиться».
Но определить эту температуру непросто. Поскольку измерить температуру мантии напрямую невозможно, геологам приходится оценивать ее с помощью лабораторных экспериментов, моделирующих высокие давления и температуры внутри Земли.
Вода является важнейшим компонентом уравнения: чем больше воды (или водорода) в породе, тем ниже температура, при которой она плавится. Известно, что перидотитовая порода, слагающая верхнюю мантию, содержит небольшое количество воды. «Но мы точно не знаем, как добавление воды меняет эту температуру плавления», - сказал советник Сарафяна, геохимик WHOI Гленн Гаэтани. "Поэтому остается много неопределенности."
Чтобы выяснить, как содержание воды в мантийной породе влияет на ее температуру плавления, Сарафян провел серию лабораторных экспериментов с использованием поршневого цилиндра, машины, которая использует электрический ток, пластины из тяжелого металла и стопки поршней в чтобы увеличить силу для воссоздания высоких температур и давлений, обнаруженных глубоко внутри Земли. Следуя стандартной экспериментальной методологии, Сарафян создал синтетический образец мантии. Она использовала известный, стандартизированный минеральный состав и высушила его в духовке, чтобы удалить как можно больше воды.
До сих пор в экспериментах, подобных этому, ученые, изучающие состав горных пород, должны были предполагать, что их исходный материал был полностью сухим, потому что минеральные зерна, с которыми они работают, слишком малы для анализа на наличие воды. После проведения своих экспериментов они корректируют свою экспериментально определенную точку плавления, чтобы учесть количество воды, которое, как известно, содержится в породе мантии.
«Проблема в том, что исходные материалы представляют собой порошки, и они адсорбируют атмосферную воду», - сказал Сарафян. «Итак, добавляли вы воду или нет, в вашем эксперименте есть вода».
Сарафян применил другой подход. Она модифицировала свой исходный образец, добавив сферы минерала под названием оливин, который естественным образом встречается в мантии. Сферы все еще были крошечными - около 300 микрометров в диаметре, или размером с мелкие песчинки, - но они были достаточно большими, чтобы Сарафян мог проанализировать содержание воды в них с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS). Оттуда она смогла рассчитать содержание воды во всем исходном образце. К своему удивлению, она обнаружила, что в нем содержится примерно столько же воды, сколько известно в мантии.
Основываясь на своих результатах, Сарафян пришла к выводу, что плавление мантии должно было начинаться на меньшей глубине под морским дном, чем предполагалось ранее.
Чтобы проверить свои результаты, Сарафян включила магнитотеллурику - метод, который анализирует электрическую проводимость коры и мантии под морским дном. Расплавленная порода проводит электричество гораздо сильнее, чем твердая порода, и, используя магнитотеллурические данные, геофизики могут создать изображение, показывающее, где в мантии происходит плавление.
Но магнитотеллурический анализ, опубликованный в журнале Nature в 2013 году исследователями из Океанографического института Скриппса в Сан-Диего, показал, что мантийные породы плавились на большей глубине под морским дном, чем предполагали экспериментальные данные Сарафяна..
Поначалу казалось, что экспериментальные результаты Сарафян и магнитотеллурические наблюдения противоречат друг другу, но она знала, что оба должны быть правильными. Сопоставление температур и давлений, измеренных Сарафян в ее экспериментах, с глубиной плавления из исследования Скриппса привело ее к поразительному выводу: верхняя мантия океана должна быть на 60°C (~110°F) горячее, чем текущие оценки», - сказал Сарафян.
Увеличение на 60 градусов может показаться не таким уж большим по сравнению с температурой расплавленной мантии более 1400°C. Но Сарафян и Гаэтани говорят, что результат значителен. Например, более горячая мантия была бы более текучей, что помогает объяснить движение жестких тектонических плит.