Учёные из Университета Потсдама и Центра наук о Земле им. Гельмгольца (GFZ) в Потсдаме совместно с международными коллегами выяснили, что минерал оливин имеет важное значение для переноса тепла в мантии Земли. Они впервые измерили прозрачность оливина в условиях мантии Земли. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Строение и движение литосферных плит
Внешняя оболочка нашей планеты, литосфера, разделена на несколько жёстких плит, которые дрейфуют по тёплой и относительно мягкой мантии. Столкновение между плитами приводит к тому, что более тяжёлая плита погружается в мантию Земли. Этот процесс называется «субдукцией», а погружающаяся плита — «плитой-слэбом».
Обычно океаническая литосфера тяжелее континентальной, потому что она состоит из более плотных минералов, таких как оливин, который составляет 80% океанической литосферы. Оливин также является преобладающим минералом во внешней оболочке Земли, составляя 60% верхней мантии (на глубине от 40–410 км).
Перенос тепла и нагрев плит
При субдукции холодные плиты постепенно нагреваются тёплой окружающей мантией за счёт диффузии тепла — процесса, который включает теплопроводность и тепловое излучение. Понимание процессов нагрева плит имеет основополагающее значение для объяснения возникновения глубоких землетрясений и присутствия воды на глубине более 70 километров.
«Мы впервые измерили прозрачность оливина внутри Земли», — говорит геодинамик Энрико Марцотто из Института наук о Земле Университета Потсдама. «Эти измерения показывают, что оливин является инфракрасно-прозрачным даже при экстремальном давлении и температуре в недрах Земли».
Роль оливина в переносе тепла
Перенос тепла излучением составляет примерно 40% от общего количества тепла, диффундирующего в богатой оливином верхней мантии. Таким образом, радиационная теплопроводность играет важную роль в нагреве плит и может оказывать далеко идущее влияние на плотность и жёсткость погружающихся плит, а также на их способность переносить воду в недра Земли.
С помощью двумерных моделей термической эволюции плит команда смогла показать, что быстрый нагрев, усиленный радиационным переносом тепла, вызывает разрушение водосодержащих минералов на меньшей глубине.
«Это потенциально может объяснить возникновение землетрясений в плите на глубине более 70 километров», — говорит Марцотто. «Следовательно, только плиты, возраст которых более 60 миллионов лет и которые погружаются со скоростью более 10 сантиметров в год, остаются достаточно холодными, чтобы переносить водосодержащие минералы вниз, в переходную зону мантии (MTZ) на глубине от 410 до 660 километров».
Переходная зона мантии как резервуар воды
MTZ считается крупнейшим резервуаром воды на нашей планете, потенциально содержащим до трёх раз больше воды, чем все океаны Земли.
«Наше исследование также предоставляет численные инструменты для расчёта времени жизни тепловых аномалий в мантии и их геодинамического поведения», — добавляет Марцотто. Эти аномалии могут быть горячими (как плюмы, поднимающиеся из глубин мантии Земли) или холодными (как погружающиеся плиты).
Предоставлено Университетом Потсдама.