Глубоко под поверхностью нашей планеты, на границе мантии и внешнего ядра, находится загадочный слой D″. Этот участок давно привлек внимание геологов из-за необычного ускорения сейсмических волн, проходящих через него. Исследования показали, что причина этого явления — особое поведение минералов в экстремальных условиях на глубине около 2700 километров.
Роль постперовскита в ускорении сейсмических волн
В 2004 году профессор Мотохико Мураками из Швейцарской высшей технической школы Цюриха обнаружил, что основной минерал нижней мантии — перовскит — при высоком давлении и температуре преобразуется в новую фазу, названную постперовскитом. Именно в этом состоянии минералы расположены в слое D″.
Исследования показали, что не сам фазовый переход, а ориентация кристаллов постперовскита влияет на скорость сейсмических волн. Когда кристаллы выстраиваются в одном направлении, материал становится значительно тверже, и волны проходят через него быстрее.
Как формируется ориентация кристаллов в недрах Земли
Ученые долго пытались понять, что заставляет кристаллы упорядочиваться на такой глубине. Ответ оказался связан с конвекционными потоками в мантии. Несмотря на твердость пород, под воздействием температуры и давления они медленно перемещаются, создавая потоки, похожие на атмосферные:
• горячие породы поднимаются;
• холодные опускаются;
• формируются горизонтальные потоки в слое D″, выравнивающие кристаллы.
Эти движения обеспечивают упорядоченность минералов и, соответственно, ускоренное прохождение сейсмических волн. Это первое экспериментальное подтверждение движения твердых пород на такой глубине.
Лабораторное моделирование экстремальных условий
Для изучения слоя D″ ученые не могли применить прямые методы — глубина недоступна. Вместо этого команда Мураками использовала минерал MgGeO3, имитирующий постперовскит, и создала экстремальные условия:
• давление выше 1,6 миллиона атмосфер;
• температура, соответствующая нижней мантии.
Использовались алмазные наковальни и мощные лазеры, чтобы наблюдать ориентацию кристаллов при деформации. Результаты экспериментов совпали с реальными сейсмическими данными, подтверждая теорию.
Значение открытия для геофизики и сейсмологии
Это исследование, опубликованное в Communications Earth & Environment, имеет важные последствия:
• подтверждает существование конвекции в нижней мантии;
• помогает точнее моделировать внутреннее строение Земли;
• улучшает прогнозы поведения сейсмических волн;
• способствует мониторингу землетрясений;
• расширяет знания о динамике планеты.
По словам профессора Мураками, Земля — не статичная скала, а динамичная система, где даже на огромной глубине происходят сложные процессы, влияющие на всю планету.
Итоги и перспективы исследований
Открытие механизма ускорения сейсмических волн в слое D″ — прорыв в геодинамике. Теперь ученые имеют лучшее понимание движения твердых пород мантии и влияния их кристаллической структуры на сейсмические явления.
В дальнейшем эти данные помогут:
• усовершенствовать модели землетрясений;
• понять, как изменяется состав и структура Земли с течением времени;
• улучшить прогнозы природных катастроф.
Понимание глубоких процессов позволит лучше защитить человечество и планету от природных угроз.