Загадка слоя D”: как твердая порода течет на глубине 3000 км под нашими ногами
На глубине почти 3000 километров под поверхностью Земли геофизики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) обнаружили необычное явление. Оказалось, что на границе между мантией и ядром твердая порода медленно течет по горизонтали, как вязкая жидкость. Это движение выстраивает кристаллы редкого минерала в одну линию, из-за чего сейсмические волны начинают распространяться быстрее. Впервые удалось точно объяснить, почему в этой зоне волны ведут себя необычно. Теперь у науки есть первый «портрет» глубинных течений, которые питают вулканы, землетрясения и, возможно, магнитное поле Земли.
Речь идет о так называемом слое D" (читается как «Д-два штриха», в англоязычной науке его называют D-double-prime). Он начинается примерно на глубине 2700 километров — чуть выше границы мантии и ядра. Еще в XX веке сейсмологи заметили, что в этом слое скорость распространения волн резко возрастает. Возникало ощущение, будто они проходят не через породу, а через другой, более плотный материал. Полвека ученые не могли точно объяснить, что именно происходит в этой зоне.
В 2004 году японский геофизик Мотохико Мураками, ныне профессор ETH Zurich, сделал первый прорыв. Он выяснил, что при экстремальных давлениях и температурах основной минерал нижней мантии, перовскит, превращается в новый тип кристаллов, названный постперовскитом. Тогда предположили, что именно он и вызывает скачок сейсмической скорости.
Но в 2007 году команда Мураками нашла доказательства, что одной трансформации минерала недостаточно. Ускорение волн происходило только при определенных условиях. Ученые построили компьютерную модель и обнаружили: важна не только структура минерала, но и направление, в котором направлены его кристаллы. Если они выстроены строго в одну сторону, волны действительно идут быстрее. И именно такое поведение наблюдается в D" слое.
Теперь, в новой серии лабораторных экспериментов, команда ETH Zurich воспроизвела условия мантии и напрямую подтвердила: под высоким давлением кристаллы постперовскита действительно выстраиваются в одну линию. Более того, в эксперименте удалось зафиксировать такое же ускорение волн, как и на глубине 2700 километров.
Оставался главный вопрос: что заставляет кристаллы выстраиваться одинаково? Ответ оказался неожиданным: на границе мантии и ядра твердая порода течет. Она движется горизонтально, создавая подобие вязкого конвективного потока. Примерно как в кипящей воде, только в твердом состоянии. До сих пор такое движение оставалось гипотезой. Теперь оно подтверждено экспериментально.
Открытие превращает догадку в факт. Внутри нашей планеты медленно, но стабильно движется вещество, которое мы считали неподвижным. Это движение меняет направление и форму сейсмических волн.
Мураками называет это началом новой главы в исследовании Земли. По его словам, теперь ученые могут начать картировать потоки в самой глубокой мантии, а значит, на шаг приблизиться к пониманию механизмов, которые приводят в движение литосферные плиты, вызывают землетрясения, питают вулканы и, возможно, участвуют в генерации магнитного поля.
Статью с результатами работы опубликовали в журнале Communications Earth & Environment.
