Геофизики подтвердили плавление мантии Земли из-за углекислого газа

В плавлении минералов в мантии Земли важнейшую роль играет углекислый газ. Нет, глобальное потепление тут не причем, так как речь идет о процессах на глубине в сотни километров.

Настолько глубоко пробурить скважины пока невозможно, знаменитая Кольская сверхглубокая скважина не достигла даже проектной отметки в 15 км; изучать внутренности планеты приходится непрямыми методами двух разных типов. Простукиванием, анализом распространения колебаний при взрывах и землетрясениях, и моделированием в лабораториях. На страницах журнала Nature группа американских геофизиков описала именно экспериментальный метод - при помощи особо мощного пресса кусочек камня размером около полумиллиметра подвергли такому же давлению, которое должно быть на глубине в сотни километров.

На отметке в десять километров стенки пробуренных в прочных гранитных скалах скважин уже трескаются, а высверливаемый камень буквально взрывается. Еще ниже с минералами происходят какие-то иные трансформации: геофизикам известно, что есть несколько слоев, где характер распространения сейсмических волн резко меняется - например, такой эффект происходит на границе Мохоровича между корой и мантией планеты. А еще ученые выделяют слой Голицына на глубине около 700 км и так называемую границу Леманн примерно в 200 км от поверхности. Добавьте сюда движение мантии подобно потоку воды в нагретом чайнике (нагревается снизу, поднимается вверх, остывает и опускается вниз) и получите довольно нетривиальную картину вместо простого монолитного шара с постепенным ростом температуры и давления - не удивительно, что геофизики задаются вопросом "почему возникли все эти слои?".

В предыдущих экспериментах сжатие образцов показало, что в плавлении минералов важную роль играет углекислый газ. Карбонаты, то есть продукты химической реакции с CO₂, плавятся намного легче и на новых микрофотографиях это хорошо заметно: весь образец сохранил свою структуру, в то время как слой карбонатов расплавился. И этот эксперимент позволяет ответить сразу на два вопроса, причем из совершенно разных областей. На какие слои делится мантия и почему? Почему на глубине больше 200 км она проводит электрически ток лучше, чем земная кора?

Данные о проводимости мантии были получены на основе наблюдений за изменениями магнитного поля Земли и уже в 2008 году на страницах Science писали о том, что этот эффект может быть связан с углекислым газом; описанные сейчас в Nature эксперименты с непосредственным измерением проводимости образца под прессом карбонатную теорию подтвердили. А что касается структуры слоев, то в новом исследовании речь идет о том, что плавление карбонатов происходит на отметках до 330 км и это заметно глубже, чем следовало из предыдущих оценок, причем наиболее интенсивное образование расплавленной магмы идет как раз на двухстах километрах... на той самой глубине, которая следует из наблюдений за сейсмическими волнами.

Иными словами, очередность слоев и их свойства - от механических до электрических - зависят от химического состава. Это утверждение может показаться тривиальным, но стоит отметить то, что все эти слои еще и находятся под высоким давлением, которое довольно сильно меняет многие параметры вещества. Кроме того, невзирая на многочисленные успехи фундаментальной науки, ученые до сих пор не могут просто так сказать, как поведет себя смесь тех или иных атомов в заданных условиях - нельзя запустить какую-нибудь программу, задать ей химический состав произвольного минерала, указать давление с температурой и получить полное описание того, что за минерал получится. Внутреннее устройство планеты приходится изучать опытным путем.