Ученые теперь имеют более четкое представление о мантии Земли благодаря исследованию Мичиганского государственного университета, опубликованному в текущем выпуске Nature Communications.
Самая большая проблема изучения среднего, самого большого слоя планеты, зажатого между ее железным ядром и тонкой поверхностью, на которой обитают живые существа, заключается в том, что его невозможно увидеть. Это сравнимо с тем, что пациент получает компьютерную томографию, и врач может видеть темные и светлые пятна, указывающие на здоровые ткани и опухоли.
Но вместо компьютерной томографии геологи используют сейсмографы. Но поскольку они не могут нырнуть вниз, чтобы выяснить, что на самом деле означают «пятна», им приходится расшифровывать, о чем говорит им разница в частотах волн.
«Мы смотрим на изображение мантии, но не знаем, что означают цвета», - сказала Сюзанна Дорфман, геолог МГУ и соавтор исследования. «Картины сейсмических волн демонстрируют контраст, который указывает на разную мягкость и разную плотность; наша задача - выяснить, что там внизу и почему».
Ученые думают, что мантия подобна мраморному пирогу, перемешанному путем закручивания кусочков дна океана и первозданной породы. Как шоколадный и ванильный торт, разные части мантии имеют разный состав.
Дорфман сравнивает свою лабораторию и анализ, который проводит ее команда, с поварами на тестовой кухне. Тем не менее, основным ингредиентом в этом меню является бриджманит - самый распространенный минерал на Земле. По оценкам, этот минерал составляет более 50 процентов Земли. Хотя бриджманит встречается в мантии повсеместно, на поверхности он встречается довольно редко.
Насколько редко? Его существование теоретизировалось и производилось в лабораториях с 70-х годов. Но только в 2014 году в метеорите была обнаружена частица природного бриджманита, его кристаллическая структура была нанесена на карту и официально названа..
В кухонной лаборатории команда приготовила образец редкого минерала. Используя камеру давления с алмазной наковальней и лазерный нагрев, чтобы воспроизвести невообразимое давление и тепло мантии, они протестировали свой рецепт бриджманита с щепоткой трехвалентного железа. Это сочетание достаточно плотное и окисленное. (Трехвалентное железо можно найти в ржавчине.)
«Минимальное давление, необходимое для создания бриджманита в мантии, - четверть миллиона атмосфер - равносильно весу слона, балансирующего на маковом зерне», - сказал Дорфман..
Команда под руководством Цзячао Лю, ранее работавшего в МГУ, а теперь работавшего в Техасском университете в Остине, также изменила состав бриджманита, заменив атомы магния и кремния на атомы железа 3+.
«Это изменило структуру и то, как она действует», - сказал Дорфман. «В атоме железа происходит изменение, называемое спиновым переходом, когда атом сжимается и становится более плотным из-за сильного давления. Это потенциально дублирует то, что происходит глубоко в мантии».
Эти рецепты, приготовленные в лаборатории, представляют собой модель и некоторые сведения о минералах, которые потенциально составляют мантию. То, что приготовила команда Дорфмана, не является точной копией мантийных минералов, но конечный результат дал самые точные измерения плотности, сжимаемости и электронной проводимости ржавого бриджманита в нижней мантии.
Хотя Дорфман и другие ученые, возможно, никогда не увидят образцы керна мантии воочию, наблюдения и измерения в лаборатории помогут ученым интерпретировать то, о чем им говорят сейсмические волны.
Это исследование поможет ученым использовать геофизические измерения для точного картирования количества железа в мантии, но команда также определила, что будет трудно увидеть, насколько оно окислено. Дорфман сохраняет оптимизм в отношении того, что это направление исследований раскроет некоторые тайны мантии.
«Глубокая мантия - это странное место с загадочными особенностями, которые могут быть остатками формирования Земли, могилами для груд затонувших тектонических плит, источниками горячих вулканов, таких как Гавайи, или процессами, сформировавшими атмосферу», - сказал Дорфман.«Все, что мы можем обнаружить о составе элементов в основании мантии, может помочь нам разгадать эти загадки».
Ученые из Мичиганского университета, Центра научных и технологических исследований высокого давления (Китай), Гавайского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Иллинойса также принимали участие в этом исследовании.