Международная команда ученых под руководством профессора Мотохико Мураками из Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich) сделала прорывное открытие, обнаружив, что твердая порода в зоне D″, расположенной на глубине около 2900 км на границе мантии и ядра Земли, течет, несмотря на отсутствие жидкого состояния. Исследование, опубликованное в журнале Communications Earth & Environment (CEE), объясняет загадочное поведение сейсмических волн и подтверждает конвекцию твердых пород в недрах планеты. Это открытие меняет наше понимание внутренней динамики Земли.

Что такое зона D″ и почему она загадочна?

Зона D″ — это слой толщиной 100–300 км, расположенный между нижней мантией и внешним ядром Земли на глубине 2600–2900 км. Полвека ученые наблюдали, что в этом регионе сейсмические волны (P- и S-волны) неожиданно ускоряются, указывая на необычные свойства материала. Основные гипотезы связывали феномен с фазовым переходом главного минералов нижней мантии — перовскита (MgSiO₃) — в более плотную форму пост-перовскита под действием экстремальных условий: давления до 135 ГПа и температуры около 4000 K.

В 2004 году Мураками подтвердил, что такой переход происходит, но в 2007 году он же показал, что фазовый переход сам по себе не объясняет аномалию скорости волн. Загадка оставалась нерешенной до последнего исследования.

Как ученые раскрыли тайну?

Команда Мураками использовала комбинацию компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов для изучения зоны D″:

  1. Моделирование:
    • С помощью молекулярной динамики и квантово-механических расчетов ученые смоделировали поведение перовскита и пост-перовскита под давлением и температурой, характерными для глубины 2700 км.
    • Модели показали, что ускорение сейсмических волн возможно только при анизотропии — когда кристаллы минералов ориентированы в одном направлении, создавая «быструю» ось для волн.
  2. Эксперимент:
    • В лаборатории с использованием алмазных наковален (DAC) ученые воссоздали давление и температуру зоны D″, сжимая образцы перовскита.
    • Впервые удалось добиться выравнивания кристаллов пост-перовскита под действием деформации, имитирующей течение породы.
    • Измерения с помощью рентгеновской дифракции подтвердили скачок скорости S-волн, аналогичный наблюдаемому в природе (рост на ~3–5%).
  3. Ключевое открытие:
    • Твердая порода в зоне D″ течет подобно вязкой жидкости, но без плавления. Этот процесс, называемый твердофазной конвекцией, вызван градиентами температуры и давления на границе ядра и мантии.
    • Движение породы выстраивает кристаллы пост-перовскита в единую ориентацию, создавая анизотропию, которая ускоряет сейсмические волны.

«Мы нашли недостающее звено головоломки», — заявил Мураками, подчеркивая, что это первое экспериментальное доказательство конвекции твердой породы в мантии.

Почему порода течет?

Течение твердой породы в зоне D″ обусловлено экстремальными условиями:

  • Температура: Градиент между горячим внешним ядром (~6000 K) и более холодной мантией (~3500 K) вызывает тепловую конвекцию.
  • Давление: Колоссальное сжатие делает пост-перовскит пластичным, позволяя кристаллам деформироваться и «течь» со скоростью ~1–10 см в год.
  • Динамика: Порода движется вдоль границы ядра, подобно кипящей воде в кастрюле, формируя глобальные течения, связанные с мантийными плюмами и субдукцией.

Этот процесс объясняет не только сейсмические аномалии, но и неоднородности в зоне D″, такие как ультранизкоскоростные зоны (ULLVZ) и крупномасштабные структуры (LLSVP).

Значение открытия

  1. Понимание недр Земли:
    • Конвекция твердой породы подтверждает динамическую природу мантии, связывая движение плит, вулканизм и магнитное поле Земли.
    • Зона D″ действует как «пограничный слой», регулирующий теплообмен между ядром и мантией.
  2. Сейсмические модели:
    • Уточненные данные об анизотропии пост-перовскита улучшат интерпретацию сейсмических томограмм, позволяя создать 3D-карту течений в зоне D″.
    • Это поможет прогнозировать геодинамические процессы, такие как мантийные плюмы, питающие горячие точки (Гавайи, Исландия).
  3. Планетология:
    • Аналогичные процессы могут происходить на других планетах, таких как Марс или суперземли, где давление и температура создают подобные условия.
    • Открытие уточняет модели формирования планет и их магнитных полей.
  4. Технологический прорыв:
    • Эксперименты с алмазными наковальнями и моделирование на суперкомпьютерах задают новый стандарт для изучения глубоких недр.

Ограничения и перспективы

  • Масштаб: Эксперименты ограничены малыми образцами (~1 мм³), тогда как зона D″ неоднородна на тысячах километров.
  • Данные: Для полной карты течений нужны дополнительные сейсмические станции, особенно в океанах (проект Ocean Bottom Seismology).
  • Будущие исследования:
    • Ученые планируют изучить роль химического состава (например, примесей железа) в конвекции.
    • Интеграция с данными миссии InSight на Марсе может выявить сходства в мантийной динамике.

Вывод

Исследование Мотохико Мураками, опубликованное в Communications Earth & Environment, раскрывает, что твердая порода в зоне D″ на границе мантии и ядра Земли течет, выстраивая кристаллы пост-перовскита и ускоряя сейсмические волны. Это первое доказательство твердофазной конвекции, подтвержденное экспериментами с алмазными наковальнями и моделированием. Открытие меняет понимание геодинамики, обещая 3D-карты недр и новые знания о планетах. Следите за новостями геоученых — мы только начинаем понимать, как работает наша планета изнутри!