Давление в нижней мантии придало силикату кальция структуру перовскита
Американские геологи обнаружили внутри алмаза новый минерал дейвмаоит — силикат кальция со структурой перовскита. В статье, опубликованной в журнале Science, авторы отмечают, что этот минерал может составлять приблизительно пять процентов нижней мантии Земли.
В настоящее время точный состав нижней мантии Земли, глубина залегания которой примерно от 660 до 2600 километров, до конца не известен. Большинство исследователей предполагают, что глубинная мантия в основном состоит из силиката магния. Он составляет около 70 процентов ее объема, еще 20 процентов приходится на магнезиовюстит (Mg,Fe)O, а оставшиеся 10 процентов — это плотные тетрагональные формы диоксида кремния и оксидные фазы, содержащие кальций, натрий, калий, алюминий и железо.
Для уточнения состава нижней мантии ученые изучают минералы, которые там образовались. Обычно такие минералы заключены в сверхглубоких алмазах, которые сохраняют минерал при подьеме на поверхность. Большинство алмазов образуются на расстоянии от 120 до 250 километров от поверхности земли, но сверхглубокие алмазы появляются в нижней мантии на глубине от 200 до примерно 1000 километров. Ученые уже находили в них минералы глубоких слоев, однако простых способов определить точную глубину образования каждого такого алмаза нет. Как нет и способа узнать, где будет обнаружен следующий образец. Поэтому процесс их поиска достаточно сложный и долгий.
Оливер Чаунер (Oliver Tschauner), профессор из Университета Невады в Лас-Вегасе, вместе со своими коллегами решил изучить алмаз, который хранился в Музее естественной истории Лос-Анджелеса. Этот алмаз шириной около 4 миллиметров и весом 82 миллиграмм, найденный в шахте Орапа на юге Африки, в конце XX века приобрел американский ученый, который передал его в коллекцию минералов Калифорнийского технологического института. Позже алмаз оказался в Музее Лос-Анджелеса.
При помощи рентгеновского анализа ученые определили, что внутри есть включения другого минерала. После этого геологи с помощью лазерного луча извлекли кристаллы и проанализировали химический состав включений при помощи масс-спектрометрии. Оказалось, что они извлекли силикат кальция CaSiO3 со структурой перовскита, который ранее не встречался в природе, но, как предполагалось, может образовываться в нижней мантии. Найденный минерал ученые назвали дейвмаоитом, в честь Дейва Мао (Dave Mao) из Научного института Карнеги за его выдающийся вклад в исследования мантии Земли.
В природе такую модификацию силиката кальция найти практически невозможно, потому что он стабилен при давлении, которое в 198 тысяч раз превышает давление на поверхности Земли. Перовскит просто разрушился бы при поднятии на поверхность. Однако дейвмаоит был заключен в твердый алмаз, который смог сохранить его в изначальном состоянии. На поверхности силикат кальция обычно встречается в виде волластонита Ca3(Si3O9) — белого минерала, который отличается от дейвмаоита химической формулой и структурой. Перовскит кристаллизуется в ромбической сингонии, а волластонит — в триклинной.
Ученые считают, что дейвмаоит составляет около пяти процентов нижней мантии Земли и может содержать радиоактивные элементы, такие как уран, торий и изотоп калия-40, период полураспада которых превышает геологическую историю планеты. При распаде они выделяют тепло, поэтому распределение дейвмаоита влияет на тепловой баланс глубокой мантии, где минерал термодинамически стабилен. Геологи отмечают, что такие природные образцы минералов высокого давления очень важны для геологии и геофизики, поскольку они помогают понять сложный процесс формирования и преобразования глубоких слоев Земли. Это например может помочь при расчете рисков землетрясений или цунами, так как нижняя мантия вносит вклад в движение литосферных плит.
От редактора
В изначальном тексте заметки мы ошибочно назвали обнаруженный минерал давемаоитом. На самом деле более верное русскоязычное название минерала — дейвмаоит. Редакция приносит извинения за допущенную неточность.
Недавно американские физики синтезировали сверхплотную форму силиката магния, а потом сжали образец вдвое, чтобы смоделировать условия глубокой мантии Земли. А о том, что происходит с веществами под высоким давлением, можно прочитать в материале «Путешествие к центру Земли».
По мнению геохимиков, это произошло около 2,7 миллиарда лет назад
Измерив изотопный состав титана в метеоритах из группы хондритов и в образцах основных и ультраосновных земных пород различного возраста, геохимики обнаружили отрицательный сдвиг в соотношении изотопов, происшедший в период между 3,5 и 2,7 миллиарда лет назад. Исследователи связали его с наступлением эпохи усиленного роста континентальной коры, вызвавшего обеднение верхней мантии литофильными элементами. Сравнив полученные результаты с изотопным составом титана в современных базальтах, происходящих из мантийных источников разной глубины, ученые предположили, что геодинамический механизм, связанный с тектоникой плит, на раннем этапе обеспечивал конвективный перенос вещества лишь в пределах верхней мантии. Нижняя мантия, сохраняющая состав, близкий к примитивному, включилась в глобальный тектонический режим лишь после 2,7 миллиарда лет назад, сообщает статья в журнале Nature. По результатам сейсмических исследований ученые различают в мантии Земли два основных слоя ― верхнюю и нижнюю мантии, разделенные переходной зоной на глубине от 410 до 660 километров. Эти границы возникают за счет перехода слагающих мантию минералов в более плотные высокобарические модификации. В настоящее время благодаря данным сейсмической томографии известно, что через переходную зону происходит перенос вещества: погружающиеся в процессе субдукции слэбы ― фрагменты океанических литосферных плит ― достигают глубин нижней мантии, а подъем вещества может происходить за счет суперплюмов, формирующихся на границе ядра. Однако вопрос о том, как происходил массоперенос на протяжении геологической истории, до сих пор остается слабо изученным. Так, неясно, в какой степени примитивная мантия, соответствующая по составу протопланетному веществу (за вычетом компонентов ядра), на разных глубинах затронута дифференциацией и обеднена литофильными элементами из-за образования коры. Пролить свет на эволюцию мантии могут изотопные исследования. Поскольку степень фракционирования изотопов того или иного литофильного элемента во многом зависит от геодинамических условий, его изотопные соотношения в породах разного происхождения отличаются. Например, с помощью анализа соотношений изотопов гафния и неодима ученые выяснили, что древнейшие участки континентальной коры в австралийском кратоне Пилбара образовались в основном из примитивной мантии. А изучение различий в изотопных сигнатурах инертных газов показало, что в современной мантии могут сохраняться неоднородности, относящиеся к периоду аккреции Земли из протопланетного вещества. Выяснить с помощью изотопных данных, как изменялся геодинамический режим на древней Земле, попытались Чжэнбинь Дэн (Zhengbin Deng) из Копенгагенского университета и его коллеги из Великобритании, Дании, Китая, США, Франции и Швейцарии. Для этого ученые с помощью усовершенствованных аналитических методов определили соотношения стабильных изотопов титана 49Ti/47Ti в 31 образце пород архейского и протерозойского возраста (от 3,8 до 2,0 миллиарда лет), в 21 образце современных базальтов океанических островов и в 24 образцах метеоритного вещества из хондритов разных типов. Вещество хондритов служит для моделирования состава примитивной мантии. Сопоставив полученные результаты с полученными ранее данными об изотопном составе титана в современных базальтах срединно-океанических хребтов и в древнейших континентальных породах, исследователи получили картину изменчивости соотношения 49Ti/47Ti. Выбор титана в качестве маркера геодинамических изменений не случаен. Этот литофильный элемент нерастворим в поверхностных средах и биологически нейтрален, поэтому его изотопный состав невосприимчив к процессам водной эрозии и метаболизма живых организмов. Кроме того, титан демонстрирует заметные различия в степени фракционирования в зависимости от того, насколько дифференцировано вещество в очаге плавления. Так, в кислых магматических резервуарах, образующихся в зонах субдукции или при внедрении в толщу коры мантийного расплава, в кристаллическую фазу поступает материал, обогащенный более тяжелым титаном-49, а в остатке плавления концентрируется титан-47. А вот при образовании очагов плавления ультраосновных пород мантии фракционирования практически не происходит. Начальной точкой в модели эволюции примитивной мантии послужило соотношение 49Ti/47Ti в хондритах. Средневзвешенное значение его отклонения от лабораторного эталона (δ49Ti) составило +0,053 ± 0,005 промилле. В древнейших ультраосновных вулканических породах положительная аномалия титана-49 лишь чуть-чуть выше: от +0,048 ± 0,005 промилле в 3,8-миллиардолетних гренландских метабазальтах до +0,044 ± 0,009 промилле в южноафриканских коматиитах возрастом 3,48 миллиарда лет. По мнению авторов исследования, их источники были близки по составу примитивной мантии и в очень малой степени деплетированы, то есть обеднены литофильными элементами. В период между 3,5 и 2,7 миллиарда лет назад в продуктах ультраосновного и основного вулканизма обнаружился заметный отрицательный сдвиг содержания титана-49: величина δ49Ti снизилась почти до современного уровня для максимально деплетированной мантии (+0,001 ± 0,004 промилле). Зато кислые породы ранних континентальных комплексов из формации Исуа (Гренландия), из района реки Акаста (Канада) и из кратона Каапвааль (Южная Африка) оказались обогащены титаном-49. Положительные аномалии в них распределились в пределах от +0,173 ± 0,030 до +0,570 ± 0,030 промилле. Чжэнбинь Дэн с коллегами предположили, что зарождавшийся в это время новый геодинамический режим, связанный с тектоникой плит, мог поддерживать перенос вещества и переработку древней коры, которая погружалась в локальных зонах субдукции, только в пределах верхней мантии. Расчеты показали, что для обеспечения изотопного сдвига более чем в 0,050 промилле нужно, чтобы в рециклинг коры было вовлечено менее 30 процентов всей массы примитивной мантии. Эта цифра согласуется с массой слоя, лежащего над сейсмической границей на глубине 660 километров. Возможно, связанный с ней фазовый переход препятствовал более глубокому проникновению тонущих слэбов. В результате этот слой становился все беднее литофильными элементами. Сходным высокодеплетированным составом обладают современные магмы, поступающие из верхней мантии в зоны спрединга в районах срединно-океанических хребтов ― так называемые нормальные базальты типа MORB (Mid-Ocean Ridge Basalts). После рубежа около 2,7 миллиарда лет назад ученые обнаружили некоторое повышение содержания изотопа 49Ti в вулканических породах и связали его с вовлечением нижней мантии, сохранившей примитивный состав, в процесс переноса вещества. Исследователи обратили внимание на содержание этого изотопа в современных базальтах другого типа ― OIB (Oceanic Island Basalts), ― которые образуются в зонах океанических островов над «горячими точками». Величина δ49Ti в них на 0,030–0,045 промилле выше, чем в нормальных базальтах типа MORB. По-видимому, в обогащение этих пород титаном-49 вносит свой вклад за счет глобальной конвекции глубокий резервуар вещества примитивной мантии, который сохраняется и в настоящее время, но истощает свой запас литофильных элементов. Ранее N + 1 рассказывал о том, что благодаря высокотемпературной древней мантии Земля в раннем архее могла быть практически полностью покрыта океаном. А еще мы сообщали, что ученые с помощью анализа цирконов уточнили модель образования древнего суперконтинента Нуна.