Группа ученых из Мичиганского университета выявила, что в недрах Земли, на глубине 2900 километров, есть условия для образования ранее неизвестного минерального вещества. Чрезвычайно высокие давления и температуры способствуют образованию богатого кальцием бриджманита, что меняет наш взгляд на минералогию нижней мантии. Об этом говорится в исследовании, опубликованном в журнале "Nature".
Считается, что нижняя мантия Земли состоит из трех основных минеральных фаз: ферропериклаз (Mg,Fe)O и двух перовскитов – бриджманита (Mg,Fe)(Al,Si)O3 и давемаоита (CaTiO3). Перовскиты представляют собой минеральные структуры с формулой ABX3, которые, как известно, обладают необычными свойствами, включая сверхпроводимость. На большой глубине, в условиях высоких температур, минералы со сходной кристаллической структурой сливаются, образуя новые минералы. Хотя обнаружено, что давемаоит отсутствует в условиях высоких температур и давлений, типичных для нижней мантии, он не может быть полностью растворен в магний-кремнийсодержащем бриджманите.
Ученые подозревают, что при определенных условиях давемаоит может полностью сливаться с бриджманитом, образуя единую перовскитовую фазу в нижней мантии. Было предпринято много попыток найти эти условия, но результаты опытов всегда давали две фазы перовскита. В новой работе ученые исследовали растворимость CaTiO3 в бриджманните, содержащем железо и алюминий.
Температура образцов резко повышалась до 1800 - 3000 кельвинов при давлении 33 - 110 гигапаскалей. Для этой цели использовались ячейки с алмазными наковальнями и лазерный нагрев, а превращения минералов контролировались с помощью дифракции рентгеновских лучей на источнике синхротронного излучения Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории.
Установлено, что растворимость кальция в бриджманите резко возрастает при температуре около 2300 кельвинов и давлении выше 40 гигапаскалей до уровня, достаточного для полного растворения CaSiO3. Это приводит к исчезновению перовскита CaSiO3 на глубинах более 1800 км и появлению обогащенного кальцием бриджманита. Железо играет ключевую роль в этом процессе в бриджманите, увеличивая растворимость кальция.
Таким образом, более глубокая нижняя мантия с достаточно высокой температурой должна иметь иной минеральный состав, чем более мелкая нижняя мантия. Поскольку недра ранней Земли были намного горячее, большая часть нижней мантии содержала перовскитовую фазу, и ее минералогия значительно отличалась от сегодняшней. Однако пока неизвестно, могло ли это повлиять на важные глобальные процессы, такие как тектоника плит или Великое кислородное событие 2,45 миллиарда лет назад.
