Землетрясения, извержения вулканов, движение тектонических плит — всё это признаки того, что наша планета живёт. Но то, что происходит глубоко внутри Земли, удивляет как обывателей, так и учёных: почти на глубине 3000 километров под земной поверхностью течёт твёрдый камень, который не является ни жидким, как лава, ни хрупким, как твёрдая порода.
Это показал новый научный труд геологов под руководством Мотохико Мураками, профессора экспериментальной физики минералов в ETH Zurich. Исследование было опубликовано в журнале Communications Earth & Environment.
Более 50 лет исследователи ломали голову над загадкой странной зоны глубоко внутри Земли — так называемого слоя D”, расположенного на глубине около 2700 километров под нашими ногами. Там сейсмические волны внезапно ведут себя иначе: их скорость резко возрастает, как будто они проходят через другой материал. Что именно происходит в этом слое мантии, оставалось неясным до недавнего времени.
В 2004 году Мураками, профессор ETH Zurich с 2017 года, обнаружил, что перовскит, основной минерал нижней мантии Земли, превращается в новый минерал вблизи слоя D” под экстремальным давлением и при очень высоких температурах — так называемый «постперовскит».
Исследователи предположили, что это изменение объясняет странное ускорение сейсмических волн. Но это была не вся история. В 2007 году Мураками и его коллеги нашли новые доказательства того, что одного изменения фазы перовскита недостаточно для ускорения сейсмических волн.
Используя сложную компьютерную модель, они наконец обнаружили нечто важное: в зависимости от направления, в котором ориентированы кристаллы постперовскита, меняется твёрдость минерала. Только когда все кристаллы минерала в модели направлены в одну сторону, сейсмические волны ускоряются — как это наблюдается в слое D” на глубине 2700 километров.
В необычном лабораторном эксперименте в ETH Zurich Мураками доказал, что кристаллы постперовскита выстраиваются в одном направлении под огромным давлением и экстремальными температурами.
Для этого исследователи измерили скорость сейсмических волн в своём эксперименте и смогли воспроизвести скачок, который происходит в слое D”, в лаборатории. «Мы наконец нашли последний кусочек головоломки», — говорит Мураками.
Большой вопрос заключается в том, что заставляет эти кристаллы выстраиваться в линию? Ответ заключается в том, что твёрдая мантийная порода течёт горизонтально вдоль нижнего края мантии Земли. Исследователи давно подозревали, что это движение — своего рода конвекция, подобная кипящей воде — должно существовать, но никогда не могли доказать это напрямую.
Мураками и его коллеги экспериментально продемонстрировали, что конвекция твёрдой мантийной породы присутствует на границе между ядром и мантией Земли, то есть что твёрдая — не жидкая — порода течёт медленно, но неуклонно на этой глубине. «Это открытие не только раскрывает тайну слоя D”, но и открывает окно в динамику глубин Земли», — объясняет Мураками.
Это не только веха, но и поворотный момент. Предположение о том, что твёрдая порода течёт, превратилось из теории в уверенность. «Наше открытие показывает, что Земля не только активна на поверхности, но и находится в движении глубоко внутри», — говорит профессор ETH.
Теперь, обладая этими знаниями, исследователи могут начать составлять карту течений в самых глубоких недрах Земли и таким образом визуализировать невидимый мотор, который приводит в движение вулканы, тектонические плиты и, возможно, даже магнитное поле Земли.
Предоставлено ETH Zurich.