Глубинное строение Земли, несмотря на развитие науки и техники, до сих пор во многом является загадочным. Более или менее прилично мы представляем строение самой верхней оболочки: земной коры. Поэтому новые сведения о строении мантии или новые апробированные способы ее изучения всегда интересны и в научном, и в практическом отношении. Ведь чем больше мы знаем о строении своей планеты, тем точнее и полнее мы может прогнозировать катастрофические геологические явления и процессы и их последствия.
Конечно, было бы очень интересно посмотреть своими глазами на процессы, происходящие в мантии Земли, но на современном уровне знаний это невозможно, поэтому ученым приходится довольствоваться косвенными данными. К таким методам, основанным на расшифровке данных, поступающих из различных, зачастую небольших, сейсмоисточников относится сейсмическая томография. Этот метод позволяет выявить неоднородности распределения вещества, связанные с тектоникой литосферных плит: поднятие мантийных плюмов и опускание плит в зонах субдукции. В марте в журнале Nature Geoscience была опубликована статья международного коллектива, рассказывающая о результатах изучения 43 миллионов сейсмических наблюдений как верхней, как и нижней мантии и созданной на их основе глобальной модели SGLOBE-rani. Эта модель хороша тем, что позволяет точнее определять в нижней мантии неоднородности, связанные с процессом субдукции.
Источник: https://elementy.ru/images/news/ubiquitous_lower_mantle_anisotropy_2_1187.jpg
Для более уверенной фиксации зон неоднородностей в нижней мантии при анализе прохождения поперечных волн (S-волн) помимо стандартного показателя отклонения фактических скоростей от стандартных (δVS) был учтен еще один показатель, основанный на свойстве поперечных волн испытывать поляризацию, — коэффициент радиальной анизотропии ξ, равный отношению квадратов скоростей поперечных волн с разной поляризацией: ξ=V2SH/V2SV, (буквы SH обозначают горизонтально поляризованные волны, SV — вертикально поляризованные). И если для верхней мантии параметр δVS достаточно информативен, то ниже 660 км выделить аномалии такого отклонения практически невозможно. Для разбраковки аномалий в нижней мантии более пригодным оказался коэффициент радиальной анизотропии (ξ). В более ранних своих работах авторы разработали инструментарий применения этого коэффициента и выяснили, что над субдуцирующими плитами в переходной зоне верхней мантии выше скорости вертикально-поляризованных S-волн (SV), а над погружающимися плитами в нижней мантии — выше скорости горизонтально-поляризованных S-волн (SH). По мнению исследователей, это глобальная закономерность, опускающиеся плиты в верхней мантии характеризуются повышением скоростей SV-волн относительно скоростей SH-волн на 3%, и обратным соотношением в нижней мантии: здесь скорость SH-волн выше скорости SV-волн на 2%. Такая смена согласуется с теоретическими построениями, согласно которым на границы между пластичной верхней мантией и плотной и твердой нижней мантией пластические деформации сменяются ползучими сдвиговыми деформациями на уровне кристаллической решетки бриджманита. Важным выводом данного исследования является установление, что процесс субдукции отвечает за возникновение неоднородностей в нижней мантии и ее анизотропии.
Несколько более прямым способом оценки состава мантии можно считать способ, предложенный другим международным коллективом тоже в журнале Nature Geoscience. Авторы статьи воспользовались керном скважины U1309D, пробуренной на Срединно-Атлантическом хребте на широте 30°с.ш. в районе массива Атлантис в ходе очередного проекта Международной океанической программы бурения (IODP). В ходе исследований было изучено 1415 м керна основных и ультраосновных плутонических пород океанической земной коры. Ученые проверили изотопные соотношения 87Sr/86Sr и 143Nd/144Nd не только валовых составов, но и кумулятивных (самых первых выкристаллизовавшихся) минералов пород. Было изучено 74 образца, среди которых 28 были представлены оливиновыми габбро, 8 — троктолитами, 7 — оливиновыми троктолитами, 11 — габбро, 4 — окисленными габбро, 2 — габбро-норитами, 6 — микрогаббро и 7 — диабазами. Главными кумулятивными минералами этих пород являются зональные кристаллы клинопироксенов и плагиоклазов. Исследования проводились методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Детальность этого метода такова, что позволила изучить отдельно изотопный состав ядер минералов и их краевых частей. За эталонный исходный состав была принята, естественно, ядерная зона. В результате оказалось, что изменчивость изотопного состава стронция и неодима в таких зонах кумулятивных минералов в семь раз выше, чем в базальтах из той же зоны Срединно-Атлантического хребта, чей изотопный состав достаточно однороден. Интересно, что изотопный состав буквально соседних минералов может заметно отличаться, хотя средние изотопные показатели кумулятивных минералов совпадают с показателями валовых проб плутонитов и базальтов региона.
Такое разнообразие изотопных составов говорит, видимо, о том в магматические камеры магма поступала самостоятельными порциями, причем из разных источников и с разных глубин. Зачастую эти порции проходили свой собственный путь и не встречались до попадания в магматическую камеру. При этом самые ранние минералы начинали формироваться еще до смешивания расплавов в магматической камере и сохраняли свои изотопные метки. Все это также свидетельствует о химической неоднородности мантии, хотя и доказанной другим (изотопно-геохимическим) способом.
Долгое время считалось, что мантия не принимает участия в образовании магнитного поля Земли. Но последние экспериментальные данные, опубликованные международной группой исследователей в журнале Nature, говорят о возможном присутствии магнитных минералов в породах мантии по крайней мере до глубины ее переходной зоны. Ученые и раньше подозревали о такой возможности, ведь некоторые геомагнитные аномалии, обнаруженные с помощью дистанционных методов, трудно объяснить магнитными свойствами земной коры без участия других составляющих. Необходимо было понять в форме какого конкретного магнитного минерала железо может сохраняться в условиях мантии, при высоких давлениях и температурах. Самый известный и очевидный магнитный минерал железа магнетит в поверхностных условиях окисляется до гематита, который вместе с базальтами океанической коры при субдукции погружается в мантию и, видимо, обеспечивает ее магнитные свойства. Поскольку, как мы уже отмечали, напрямую заглянуть на такие глубины пока технически невозможно, ученые решили пойти экспериментальным путем. С помощью ячейки с алмазными наковальнями, ученые сжали образцы искусственно синтезированного гематита (в форме α-Fe2O3) до давления 90 ГПа (что примерно соответствует глубинам 2000 км) и нагревали их с помощью лазеров до температуры 1300 K. Одновременно с помощью мёссбауэровской спектроскопии измерялись магнитные свойства вещества. Исследование проводилось на синхротроне ESRF в Гренобле (Франция). Было известно, что при PT-условиях, отвечающих границе между верхней и нижней мантии, α-Fe2O3 переходит в ι-Fe2O3, не обладающий магнитными свойствами. А вот как меняются магнитные свойства α-модификации до этого перехода известно не было.
Источник: https://elementy.ru/novosti_nauki/433498/Porody_zemnoy_mantii_mogut_obladat_magnitnymi_svoystvami
В результате эксперимента выяснилось, что α-гематит сохраняет магнитные свойства до температур 950–1200 K в зависимости от приложенного давления. То есть, в тех областях, где температура нарастает с глубиной медленнее, минерал будет ферромагнитным до глубины около 660 км (до границы верхняя-нижняя мантия), а там, где температура растет быстрее — до ~410 км (до верхней границы переходной зоны). Такие результаты могут иначе объяснить происхождение линейной магнитной аномалии вдоль западных границ Тихого океана: это, видимо, воздействие субдуцировавших литосферных плит, находящихся сейчас под этой аномалией. Полученные данные помогут ученым в интерпретации как современных, так и палеомагнитных наблюдений, а значит, и точнее узнать историю изменений магнитного поля Земли. Интересно, что и в этом случае мы сталкиваемся с неоднородностями мантии, только в этот раз магнитными.
Информационная служба ВСЕГЕИ
Источники: https://www.nature.com/articles/s41561-019-0325-7,
https://elementy.ru/novosti_nauki/433462/Anizotropiya_nizhney_mantii_Zemli_obyasnyaetsya_subduktsiey...,
https://www.nature.com/articles/s41561-019-0368-9,
https://elementy.ru/novosti_nauki/433491/Izmenchivost_izotopnogo_sostava_glubokovodnykh_kernov_govor..., https://www.nature.com/articles/s41586-019-1254-8,
https://elementy.ru/novosti_nauki/433498/Porody_zemnoy_mantii_mogut_obladat_magnitnymi_svoystvami
