|
Открыли ранее неизвестную минералогию недр Земли
|
|
|
|
Каково строение Земли? Во-первых, он состоит из нескольких слоев: земной коры, верхней и нижней мантии и ядра. Мантия составляет большую часть объема нашей планеты — 84%. Нижняя мантия составляет 55% объема Земли, она также более горячая и плотная, чем верхняя мантия. Нижняя мантия сыграла важную роль в эволюции Земли, в том числе в том, как Земля охлаждалась в течение миллиардов лет, как циркулировали материалы и как вода хранилась и транспортировалась из/в глубокие недра в геологическом масштабе времени. Минералогия нижней мантии широко изучается уже более семи десятилетий. Десятилетия исследований, включая лабораторные эксперименты, компьютерное моделирование и изучение включений в глубинных алмазах, привели к выводу, что нижняя мантия состоит из трех основных минералов: бриджманита, ферропериклаза и давемаоита.
|
|
|
|
В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature, группа ученых, в том числе Бёнкван Ко, бывший доктор философии. студент АГУ, ныне научный сотрудник Мичиганского государственного университета, и Санг-Хеон Дан Шим, профессор Школы исследования Земли и космоса и профессор Навроцкого по материаловедению в АГУ, завершили новый эксперимент с высоким давлением, используя несколько разных стилей. нагрева, чтобы выявить дополнительный минерал, находящийся в нижней мантии. Среди этих трех основных минералов два минерала бриджманит и давемаоит имеют кристаллическую структуру так называемого типа перовскита. Эта структура также широко известна в физике, химии и материаловедении, поскольку некоторые материалы со структурой типа перовскита показали сверхпроводимость.
|
|
|
На небольших глубинах минералы с похожей кристаллической структурой часто сливаются и становятся отдельными минералами, как правило, в условиях высокой температуры. Например, минерал диопсид содержит как кальций, так и магний и стабилен в земной коре. Однако, несмотря на структурное сходство, существующие исследования показали, что давемаоит, богатый кальцием, и бриджманит, богатый магнием, остаются отдельными в нижней мантии. «Почему давемаоит и бриджманит не сливаются в одно целое, несмотря на то, что они имеют очень похожие структуры атомного масштаба? Этот вопрос очаровывал исследователей более двух десятилетий», — сказал Шим. «Было предпринято много попыток найти условия, при которых сливаются эти два минерала, но результаты экспериментов всегда давали два отдельных минерала. Именно здесь мы почувствовали, что нам нужны свежие новые идеи в экспериментах».
|
|
|
|
Новый эксперимент дал исследовательской группе возможность попробовать различные методы нагрева для сравнения методов. Вместо медленного повышения температуры в обычных экспериментах с высоким давлением они очень быстро повысили температуру до высокой температуры, связанной с нижней мантией, достигнув 3000–3500 F в течение секунды. Причина этого заключалась в том, что после образования двух минералов со структурой перовскита им становится очень трудно слиться, даже если они попадают в температурные условия, при которых один минерал перовскита должен быть стабильным.
|
|
Быстро нагревая образцы до заданной температуры, Ко и Шим смогли избежать образования двух минералов со структурой перовскита при низких температурах. Достигнув температуры нижней мантии, они в течение 15–30 минут наблюдают за образованием минералов с помощью рентгеновских лучей на Усовершенствованном источнике фотонов. Они обнаружили, что образуются только единичные минералы перовскита, неожиданные для предыдущих экспериментов. Они обнаружили, что при достаточно высоких температурах, превышающих 3500 F, давемаоит и бриджманит становятся единым минералом в структуре типа перовскита.
|
|
|
|
«Считалось, что большая разница в размерах между кальцием и магнием, основными катионами давемаоита и бриджманита, соответственно, должна препятствовать слиянию этих двух минералов», — сказал Ко. «Но наше исследование показывает, что они могут преодолеть такую разницу в жарких условиях». Эксперименты показывают, что более глубокая нижняя мантия с достаточно высокой температурой должна иметь минералогический состав, отличный от более мелководной нижней мантии. Поскольку мантия была намного теплее на ранней Земле, новые результаты группы показывают, что большая часть нижней мантии тогда содержала один минерал со структурой перовскита, что означает, что минералогия отличалась от современной нижней мантии.
|
|
|
|
Это новое наблюдение оказало ряд существенных воздействий на наше понимание недр Земли. Многие сейсмические наблюдения показали, что свойства более глубокой нижней мантии отличаются от свойств более мелкой нижней мантии. Сообщается, что изменения будут постепенными. В экспериментах исследовательской группы показано, что слияние бриджманита и давемаоита происходит постепенно. Кроме того, свойства породы с тремя основными минералами, бриджманитом, ферропериклазом и давемаоитом, плохо согласуются со свойствами более глубокой нижней мантии. Ко и его коллеги предсказывают, что эти нерешенные проблемы могут быть объяснены слиянием бриджманита и давемаоита с образованием нового единого минерала со структурой перовскита.
|
|
|
|
Источник
|
