В течение десятилетий исследователи изучали недра Земли с помощью сейсмических волн от землетрясений. Теперь недавнее исследование, проведенное доцентом Школы исследования Земли и космоса Аризонского государственного университета Дэном Шимом, воссоздало в лаборатории условия, обнаруженные глубоко в Земле, и использовало это для открытия важного свойства доминирующего минерала в Земле. мантия, область, лежащая далеко под нашими ногами.
Шим и его исследовательская группа объединили рентгеновские методы в установке синхротронного излучения в Национальной лаборатории Министерства энергетики США и электронную микроскопию с атомным разрешением в ASU, чтобы определить, что вызывает необычные потоки в горных породах, которые лежат на расстоянии 600 миль и более. глубоко внутри Земли. Их результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Медленный поток, глубоко внизу
Планета Земля состоит из слоев. К ним относятся кора на поверхности, мантия и ядро. Тепло от ядра вызывает медленное взбалтывание твердых силикатных пород мантии, подобно медленно кипящей помадке на плите. Это конвейерное движение заставляет тектонические плиты земной коры на поверхности сталкиваться друг с другом, процесс, который продолжается по крайней мере половину 4,5-миллиардной истории Земли.
Команда Шима сосредоточилась на загадочной части этого цикла: почему характер взбалтывания резко замедляется на глубине от 600 до 900 миль под поверхностью?
«Недавние геофизические исследования показали, что картина меняется, потому что породы мантии менее легко текут на такой глубине», - сказал Шим. "Но почему? Состав пород там меняется? Или породы вдруг становятся более вязкими на такой глубине и давлении? Никто не знает."
Чтобы исследовать этот вопрос в лаборатории, команда Шима изучила бриджманит, железосодержащий минерал, который, как показали предыдущие исследования, является доминирующим компонентом мантии.
«Мы обнаружили, что изменения происходят в бриджманите при давлениях, ожидаемых на глубинах от 1000 до 1500 км», - сказал Шим. «Эти изменения могут вызвать увеличение вязкости бриджманита - его сопротивление течению».
Команда синтезировала образцы бриджманита в лаборатории и подвергла их воздействию высокого давления, обнаруженного на разных глубинах мантии.
Минеральный ключ к мантии
Эксперименты показали, что на глубине более 1000 км и ниже глубины 1700 км бриджманит содержит почти одинаковое количество окисленной и восстановленной форм железа. Но при давлениях между этими двумя глубинами бриджманит претерпевает химические изменения, которые в конечном итоге значительно снижают концентрацию содержащегося в нем железа.
Процесс начинается с извлечения окисленного железа из бриджманита. Затем окисленное железо поглощает небольшое количество металлического железа, которое рассеяно по мантии подобно семенам мака в пироге. Эта реакция удаляет металлическое железо и приводит к образованию большего количества восстановленного железа в критическом слое.
Куда девается восстановленное железо? Ответ, по мнению группы Шима, заключается в том, что он переходит в другой минерал, присутствующий в мантии, ферропериклаз, химически склонный к поглощению восстановленного железа.
«Таким образом, бриджманит в глубоком слое оказывается с меньшим содержанием железа», - объяснил Шим, отметив, что это ключ к тому, почему этот слой ведет себя именно так.
«По мере потери железа бриджманит становится более вязким», - сказал Шим. «Это может объяснить сейсмические наблюдения замедленного течения мантии на такой глубине».