Ученые выявили дефицит давемаоита в большей части нижней мантии Земли
Новые измерения показали, что давемаоит слишком сильно замедляет сейсмические волны, чтобы быть широко распространенным в нижней мантии. Минерал, вероятно, сконцентрирован в двух гигантских образованиях у границы земного ядра.
Источник: Новости науки.
МОСКВА, 17 августа /Новости науки/. Ученые из Швейцарии и Франции выяснили, что обычная нижняя мантия Земли обеднена минералом давемаоитом. Об этом сообщил журнал Nature Communications.
Этот вывод может изменить представления о составе и ранней эволюции планеты. Нижняя мантия располагается на глубинах от 660 до 2,9 тыс. км и занимает более половины объема Земли. Давемаоит — соединение кальция, кремния и кислорода CaSiO₃ — считался третьим по распространенности минералом этой оболочки.
«Полученные результаты указывают, что давемаоит обеднен в обычной нижней мантии, но сосредоточен в крупных областях с пониженной скоростью сдвиговых волн», — пишут авторы исследования.
Исследователи получили давемаоит внутри алмазной наковальни и измерили скорость распространения звука в минерале при давлениях до 80 гигапаскалей и температуре до 973 кельвинов, или около 700 градусов Цельсия. Для этого применялась бриллюэновская спектроскопия, позволяющая определять упругие свойства вещества по изменению частоты рассеянного лазерного света.
Эксперименты показали, что переход давемаоита из тетрагональной в кубическую кристаллическую форму происходит при температурах ниже 900 кельвинов. У основания нижней мантии граница перехода должна находиться примерно на уровне 860 кельвинов — значительно ниже реальных температур земных недр. Следовательно, практически во всей нижней мантии, включая холодные погружающиеся литосферные плиты, давемаоит должен иметь кубическую структуру.
Выяснилось также, что сдвиговые волны проходят через кубический давемаоит на 13,7–16,7% медленнее, чем через обычное вещество нижней мантии. Скорость продольных волн в нем ниже на 5,4–8,3%, а плотность немного выше. Поэтому даже небольшая примесь минерала должна заметно отражаться на результатах сейсмических наблюдений.
Согласно расчетам, присутствие около 7% давемаоита пришлось бы компенсировать увеличением доли быстро проводящего сейсмические волны бриджманита. В верхней части нижней мантии его потребовалось бы добавить около 6%, а у границы с ядром — примерно 20%. Поскольку содержание бриджманита уже оценивается в 75–90%, последний вариант ученые сочли неправдоподобным. Это и указывает на дефицит давемаоита в основной массе нижней мантии.
Одновременно минерал может быть сосредоточен в двух гигантских областях с пониженной скоростью сдвиговых волн, расположенных у ядра Земли под Африкой и Тихим океаном. Эти структуры занимают примерно 3–8% объема мантии, а скорость сейсмических волн в них снижена на 2–5%. По расчетам авторов, такое замедление можно объяснить содержанием давемаоита на уровне 18–29%.
Вероятно, необычное распределение минерала сформировалось при остывании древнего океана магмы. Кальций постепенно накапливался в остаточном расплаве у основания мантии, из которого давемаоит кристаллизовался на поздней стадии. Вместе с ним там могли сосредоточиться уран, торий, калий и другие несовместимые элементы. Их радиоактивный распад способен дополнительно нагревать эти области и способствовать возникновению мантийных плюмов. При этом авторы не исключают, что на свойства глубинных структур также влияют температура и остатки погрузившихся литосферных плит.
Этот вывод может изменить представления о составе и ранней эволюции планеты. Нижняя мантия располагается на глубинах от 660 до 2,9 тыс. км и занимает более половины объема Земли. Давемаоит — соединение кальция, кремния и кислорода CaSiO₃ — считался третьим по распространенности минералом этой оболочки.
«Полученные результаты указывают, что давемаоит обеднен в обычной нижней мантии, но сосредоточен в крупных областях с пониженной скоростью сдвиговых волн», — пишут авторы исследования.
Исследователи получили давемаоит внутри алмазной наковальни и измерили скорость распространения звука в минерале при давлениях до 80 гигапаскалей и температуре до 973 кельвинов, или около 700 градусов Цельсия. Для этого применялась бриллюэновская спектроскопия, позволяющая определять упругие свойства вещества по изменению частоты рассеянного лазерного света.
Эксперименты показали, что переход давемаоита из тетрагональной в кубическую кристаллическую форму происходит при температурах ниже 900 кельвинов. У основания нижней мантии граница перехода должна находиться примерно на уровне 860 кельвинов — значительно ниже реальных температур земных недр. Следовательно, практически во всей нижней мантии, включая холодные погружающиеся литосферные плиты, давемаоит должен иметь кубическую структуру.
Выяснилось также, что сдвиговые волны проходят через кубический давемаоит на 13,7–16,7% медленнее, чем через обычное вещество нижней мантии. Скорость продольных волн в нем ниже на 5,4–8,3%, а плотность немного выше. Поэтому даже небольшая примесь минерала должна заметно отражаться на результатах сейсмических наблюдений.
Согласно расчетам, присутствие около 7% давемаоита пришлось бы компенсировать увеличением доли быстро проводящего сейсмические волны бриджманита. В верхней части нижней мантии его потребовалось бы добавить около 6%, а у границы с ядром — примерно 20%. Поскольку содержание бриджманита уже оценивается в 75–90%, последний вариант ученые сочли неправдоподобным. Это и указывает на дефицит давемаоита в основной массе нижней мантии.
Одновременно минерал может быть сосредоточен в двух гигантских областях с пониженной скоростью сдвиговых волн, расположенных у ядра Земли под Африкой и Тихим океаном. Эти структуры занимают примерно 3–8% объема мантии, а скорость сейсмических волн в них снижена на 2–5%. По расчетам авторов, такое замедление можно объяснить содержанием давемаоита на уровне 18–29%.
Вероятно, необычное распределение минерала сформировалось при остывании древнего океана магмы. Кальций постепенно накапливался в остаточном расплаве у основания мантии, из которого давемаоит кристаллизовался на поздней стадии. Вместе с ним там могли сосредоточиться уран, торий, калий и другие несовместимые элементы. Их радиоактивный распад способен дополнительно нагревать эти области и способствовать возникновению мантийных плюмов. При этом авторы не исключают, что на свойства глубинных структур также влияют температура и остатки погрузившихся литосферных плит.
