Верхняя граница нижней мантии образуется из-за перехода рингвудита в бриджманит

[GAS]

Рис. 1. Синтетический кристалл рингвудита — минерала, который участвует в реакции, приводящей к возникновению верхней границы нижней мантии на глубине 660 км. Фото с сайта sites.northwestern.edu

Земная мантия делится на несколько областей — верхнюю и нижнюю мантии, а также расположенную между ними переходную зону. За такое разграничение, как считается, ответственны превращения одних минералов в другие, поскольку каждый минерал может стабильно существовать в определенном диапазоне температур и давлений. Верхняя граница нижней мантии расположена на глубине около 660 километров и, по данным геофизических исследований, имеет толщину всего около 7 километров. Но до недавнего времени не было точно известно, какая именно реакция происходит на этой глубине. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Geoscience, закрывает эту дискуссию, подтверждая гипотезу, что за границу отвечает реакция рингвудит → магнезиовюстит + бриджманит, для которой важно изменение давления всего на 0,01 ГПа, что соответствует изменению глубины всего на 250 метров при мантийных температурах.

Химический состав земной мантии во всем интервале от коры (от первых километров до ~70 км в глубину) до внешнего ядра (2900 км) примерно один и тот же: набор элементов постоянный, немного меняются лишь их концентрации. Преимущественно это магний, железо, кремний, кислород и, в меньшей степени, алюминий. Однако, несмотря на относительную химическую однородность, между различными зонами мантии (верхней мантией, переходной зоной и нижней мантией) существуют довольно четкие границы, хорошо определяющиеся геофизическими методами. Верхнюю мантию от коры отделяет граница Мохоровичича, расположенная на глубинах от 2 до 80 км, следующая граница находится на глубине около 410 км (410-km discontinuity) и маркирует начало переходной зоны, а граница на глубине около 660 км (660-km discontinuity) обозначает конец переходной зоны и начало нижней мантии (рис. 2).


Рис. 2. Схема строения Земли и основные минералы разных слоев. Рисунок с сайта science.sciencemag.org

Одна из важнейших причин возникновения мантийных границ — превращение одних минералов в другие. Так как для каждого из них характерна своя зона стабильности — промежуток температур и давлений, в которых минерал может существовать, — смена условий приводит к переходу в иные минеральные фазы и формированию границ. Такое превращение может происходить по-разному. Распространенным случаем является полиморфный переход — смена кристаллической структуры соединения (например, за границу на глубине 410 км «отвечает» превращение оливина в вадслеит — оба минерала имеют формулу Mg₂SiO₄) или же просто возникновение новых минералов (распад рингвудита на ферропериклаз (Mg, Fe)O и бриджманит MgSiO₃).

Граница, расположенная на глубине 660 км, маркирует верх нижней мантии. Изучая отраженные от нее Р-волны, геофизики выяснили, что эта граница крайне узкая — менее двух километров толщиной (что более чем в три раза меньше, чем, например, раздел на глубине 410 км, толщина которого оценивается в ~7 км, см. F. Xu et al., 2003. Survey of precursors to PʹPʹ: fine structure of mantle discontinuities).

На основе геохимических экспериментов было установлено, что верхняя мантия Земли состоит из ~60% (Mg, Fe)₂SiO₄ (в зависимости от глубины это либо оливин, либо вадслеит, либо рингвудит) и 40% пироксенов и гранатов. В нижней мантии ситуация несколько иная: там ~70% приходится на минералы с формулой (Mg, Fe)SiO₃ (это бриджманит или пост-перовскит), 20% — на ферропериклаз и 10% — на кальциевый перовскит. Так как по расчетам давление на глубине 660 км примерно отвечает давлению, при котором рингвудит разлагается на бриджманит и ферропериклаз:

(Mg, Fe)₂SiO₄ → (Mg, Fe)SiO₃ + (Mg, Fe)O,

была выдвинута гипотеза, что за возникновение границы между переходной зоной и нижней мантией отвечает данная реакция. Однако, условия при которых она протекает, были изучены лишь приблизительно, хоть сама граница является крайне важным элементом для объяснения поведения мантийных плюмов и субдуцирующих литосферных плит.

Напрямую залезть в мантию и посмотреть, что там не получится — существующие технологии бурения не позволяют проникать на такую глубину, а на поверхность с нее могут подняться разве что алмазы (см. новость Голубые алмазы сформировались в нижней мантии Земли, «Элементы», 07.09.2018), которые, к сожалению, не несут нужной информации. Эксперименты же по изучению минералов мантии крайне сложны, ведь необходимо одновременно не только контролировать температуру и давление, но и определять химический состав и структуру фаз. Это прямо противоположные задачи: для создания большого давления обычно нужно как можно крепче зажать как можно меньший образец между как можно более толстыми кусками металла или алмаза, а для определения структуры (это делается с помощью рентгеновской дифракции) оптимальной схемой является просто помещение образца в рентгеновский пучок без каких-либо препятствий.

Интервал давлений, которому соответствует граница в несколько километров толщиной, составляет всего около 0,01 ГПа (рис. 3) и, чтобы доказать, что реакция действительно объясняет ее возникновение, требуется очень высокая точность измерения. Предыдущие попытки выяснить, при каких условиях происходит переход рингвудита в бриджманит, давали недостаточно точные результаты — ранее были получены значения с погрешностями ~0,5 ГПа (Е. Ito, Е. Takahashi, 1989. Postspinel transformations in the system Mg2SiO4–Fe2SiO4 and some geophysical implications) и ~0,2 ГПа (N. Nishiyama et al., 2004. Precise determination of phase relations in pyrolite across the 660 km seismic discontinuity by in situ X-ray diffraction and quench experiments). Главный вывод из этих результатов — интервал давлений, в котором происходит реакция, составляет менее 1 ГПа. То есть точности для того, чтобы «привязать» реакцию к границе, все еще не хватало.


Рис. 3. а — фазовая диаграмма для системы, описывающей границу на глубине 660 км при температуре 1700 К (1427°C); b — сдвиг реакционных взаимоотношений при нагреве на 300 градусов (до 2000 K), например, в случае подъема плюма из мантии. Brg — бриджманит, fPc — ферропериклаз, Rw — рингвудит, St — стишовит По горизонтальной оси показано соотношение магния и железа (в атомных процентах) в реагирующих минералах. Диаграммы из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Международной группе ученых во главе с Такаюки Ишии (Takayuki Ishii) наконец удалось получить параметры этой реакции с точностью до 0,05 ГПа и подтвердить ее решающую роль в возникновении границы 660 км. Результаты были опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature Geoscience.

Основная часть исследований производилась на прессах, размещенных на источниках синхротронного излучения в Германии и Японии. Большая энергия пучка, по сравнению с традиционными источниками, вроде рентгеновских трубок, позволяет получать четкую характеристику структур и минеральных фаз, находящихся под давлением в прессах. Два состава Mg₂SiO₄ (X_Mg100) и (Mg_0,7Fe_0,3)₂SiO₄ (X_Mg70) были загружены вместе с маркером давления (MgO) в капсулы (рис. 4). Рентгеновский спектр оксида магния изменяется, в зависимости от давления, что позволяет точно измерять давление.


Рис. 4. a — Экспериментальная капсула в разрезе: PM — оксид магния (MgO), использующийся для определения давления; b и c — два исследованных состава (фотографии сделаны с помощью растрового электронного микроскопа). TC — термопара, использовавшаяся для контроля температуры. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Благодаря мощности источника удалось четко установить положение пиков на дифракционных спектрах MgO и определять давление с минимальными погрешностями (меньше 0,1 ГПа). Фазовые отношения были определены для различных давлений при фиксированных температурах (1700 и 2000 К, см. рис. 3). Так, для состава XMg90, который по существующим гипотезам наиболее точно описывает происходящее на границе 660 км, при 1700 К интервал давлений, в котором рингвудит замещается бриджманитом и ферропериклазом, составляет 0,012 ± 0,008 ГПа, что в условиях мантии соответствует слою толщиной 100–500 метров (то есть в десятки раз меньше, чем ширина границы, полученная геофизическими методами). Если взять более реалистичную оценку мантийной температуры (2000 К), то интервал составит 0,003 ± 0,002 ГПа, то есть толщина пограничного слоя окажется еще меньше.


Рис. 5. Зависимость толщины границы на глубине 660 км от термической структуры. G₁ — модель, в которой температура на всей границе постоянна, в этом случае она имеет толщину ~250 м, G₂ и G₃ — промежуточные модели изменения температуры, учитывающие тепловой эффект реакции (30–90 К), G₄ — адиабатическая геотерма, максимальный тепловой эффект, в этом случае толщина границы составляет около 7 км. Черными линиями показано «окно» фазового перехода и его смещение в зависимости от давления и температуры. График из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Однако, термическая структура этой границы несколько сложнее: в этом небольшом интервале температура среды не статична, а зависит также от теплового вклада самой реакции фазового перехода и теплового потока из мантии (J. Verhoogen, 1965. Phase changes and convection in the Earth’s mantle). При этой реакции тепло поглощается, температура снижается и, как следствие, толщина границы увеличивается — максимально до тех самых 7 км. Таким образом можно сделать вывод, что, изучая изменение толщины данной мантийной границы, можно примерно оценивать температуру в каждой ее точке (ведь толщина напрямую от нее зависит). Еще один фактор, который может влиять на толщину границу, — возможное наличие примесей Fe₂O₃ и Al₂O₃, которые изменят химический состав рингвудита и бриджманита, а также могут привести к появлению высокобарного граната. Однако термодинамические расчеты авторов статьи показывают, что даже в этом случае толщина границы остается практически неизменной и решающее влияние оказывает температурный режим.

Полученные результаты не только подтверждают, что верхняя граница нижней мантии на глубине 660 км обязана своим существованием переходу рингвудита в бриджманит, но и позволяют оценить тепловой поток через каждую точку границы, что, в свою очередь, дает возможность уточнить термическую структуру мантии.

Источник: Takayuki Ishii, Rong Huang, Robert Myhill, Hongzhan Fei, Iuliia Koemets, Zhaodong Liu, Fumiya Maeda, Liang Yuan, Lin Wang, Dmitry Druzhbin, Takafumi Yamamoto, Shrikant Bhat, Robert Farla, Takaaki Kawazoe, Noriyoshi Tsujino, Eleonora Kulik, Yuji Higo, Yoshinori Tange & Tomoo Katsura. Sharp 660-km discontinuity controlled by extremely narrow binary post-spinel transition // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0452-1.

Кирилл Власов https://elementy.ru/novosti_nauki/433552/Verkhnyaya_granitsa_nizhney_mantii_obrazuetsya_iz_za_perekhoda_ringvudita_v_bridzhmanit