Геологи нахимичили с земной мантией

Земная мантия преподнесла учёным очередной сюрприз. Глубоко под Южной Америкой минеральные превращения происходят не там, где предполагалось. Учёные полагают, что всё дело в химической неоднородности вещества. 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.

Верхняя мантия - одна из оболочек земного шара, непосредственно подстилающая земную кору. Мантия отделена от коры поверхностью Мохоровичича, или Мохо, находящейся под материками на глубине от 20 до 80 км (в среднем 35 км) и под океанами на глубине 11-15 км от поверхности воды. Наличие этой границы определяется резким скачком скорости распространения сейсмических волн примерно с 7 до 8 км/сек. Подошва верхней мантии, как предполагается, расположена на глубине около 900 км.


В верхней мантии также выделяется так называемый слой Голицына, также обнаруживаемый по изменению скорости распространения сейсмических волн. Предполагается, что эти изменения определяются изменением минерального состава мантии.

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.

© gazeta.ru / 2007-10-26