Профессор Тецуо Ирифунэ из Исследовательского центра геодинамики (GRC) Университета Эхимэ возглавляет исследовательскую группу, изучающую недра Земли с помощью экспериментов при экстремальных давлениях и температурах, имитирующих те, которые ожидаются в самых глубоких регионах нашей планеты.
Используя комбинацию ультразвуковых методов и пресс-аппарата большого объема, исследователи GRC успешно измерили скорость звука перовскита CaSiO3 (CaPv), важного минерала мантии на глубине ниже 560 км. Этот результат позволил им напрямую интерпретировать сейсмические наблюдения путем сравнения с их профилями скоростей, полученными в лаборатории, и вывести некоторые модели состава для регионов, пересекающих 660-километровый разрыв глубины, который отмечает границу между верхней и нижней мантией.
Научная статья, в которой представлены их результаты, была опубликована 10 января в журнале Nature.
CaPv составляет 7-10 об.% пиролитовой мантии и до 30 об.% субдуктированных базальтовых пород на глубине ~560 км и, следовательно, является важным составляющим минералом как в переходной области мантии (MTR; 410-660 км в глубину) и нижнюю мантию (660-2900 км в глубину). CaPv также играет важную роль в иммобилизации тяжелых элементов, таких как редкоземельные элементы или актиниды, в мантии из-за его большого участка кальция, который может легко вмещать такие крупные элементы. Но, несмотря на такую важность, измерения скоростей звука CaPv при высоких температурах не проводились, так как эта фаза нестабильна в условиях окружающей среды и, следовательно, не было адекватного образца для таких измерений.
Поскольку CaPv стабилен только в условиях давления и температуры мантии, мы разработали эксперимент, который позволяет нам синтезировать эту фазу с адекватной формой и размерами под высоким давлением, а затем направить акустическую волну непосредственно в мантию. образец под давлением. Используя этот новый подход, мы можем изучать минералы высокого давления, которые нестабильны в атмосферных условиях, такие как CaPv», - говорит Стив Грео, исследователь, возглавляющий этот проект.
Профессор Ирифунэ и его команда уже продемонстрировали в 2008 году, что пиролит, гипотетический состав породы, полученный из смеси базальта и перидотита, хорошо согласуется с геофизическими наблюдениями на глубинах до 560 км, о чем также сообщалось в журнале Nature. Однако в то время они не могли сделать дальнейших выводов на глубинах ниже 560 км, поскольку не было доступных данных по CaPv. Их результаты 2019 года стали последней частью головоломки и позволили им завершить свои гипотезы о сейсмическом строении мантии между глубинами 560 км и 800 км.
Мы действительно обнаружили, что кубическая форма CaPv, которая, скорее всего, присутствует в мантии, имеет более низкие скорости, чем то, что ранее предсказывалось теоретическими исследованиями. Этот результат опровергает предыдущие модели, предполагавшие образование CaPv в пиролит может объяснить крутой градиент скорости над глубиной 660 км. С другой стороны, это хорошо согласуется с более ранним исследованием, предполагающим наличие базальтов на глубине 660 км на основе измерений плотности», - говорит Тецуо Ирифунэ.
Эти новые результаты действительно показывают, что присутствие субдуктивной океанической коры может объяснить величину снижения скорости сдвига ниже глубины 660 км, наблюдаемую под Северной Америкой. Между прочим, предложенная ими модель очень согласуется с недавним открытием в 2018 году CaPv в природном алмазе, что свидетельствует о присутствии материала океанической коры в самых верхних слоях нижней мантии. Это также совместимо с геодинамическими расчетами глобального масштаба, согласно которым предсказанное обогащение базальтом ниже 660 км стабилизирует субдуктированную плиту в этом регионе.
Авторы заключают, что «CaPv, который когда-то называли «невидимым» в нижней мантии, поскольку предсказывалось, что эта фаза будет иметь скорости, подобные скорости наиболее распространенного минерала (перовскита MgSiO3 или бриджманита), на самом деле имеет скорости значительно ниже чем у бриджманита на глубинах 660-800 км, что должно в значительной степени способствовать прослеживанию существования и рециркуляции бывшей океанической коры в нижней мантии Земли."