Силикат кальция под высоким давлением помог уточнить поведение плит в нижней мантии

Группе ученых удалось синтезировать в лаборатории минерал дэйвмаоит в условиях, которые преобладают в нижней мантии Земли, и измерить его деформацию. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature, указывают на то, что высокое давление может размягчать земную кору в зонах субдукции и отделять ее от плиты.

Недавно мы писали о новом минерале дэйвмаоит, включения которого ученые случайно обнаружили во время анализа алмаза из Африканской шахты. Дэйвмаоит — это силикат кальция CaSiO₃ со структурой перовскита, который ранее не встречался в природе. Существование минерала геологи предсказывали десятилетиями, однако впервые получить природный образец удалось только в 2021 году.

Дело в том, что на поверхности земли такую модификацию силиката кальция найти практически невозможно, так как ​​он стабилен при очень высоком давлении и температуре, к тому же образуется на глубине около 550 километров или ниже. Благодаря алмазу, который смог сохранить минерал в изначальном состоянии, геологи смогли впервые описать дэйвмаоит. Изучение минералов высокого давления очень важно для геологии и геофизики, поскольку они помогают понять и описать процессы в глубоких слоях Земли. Однако после извлечения из алмаза, минерал разрушился и его дальнейшее исследование оказалось невозможным.

Ученые под руководством Хауке Марквардта (Hauke Marquardt) из Оксфордского университета решили искусственно получить и исследовать дэйвмаоит с помощью рентгеновских лучей. Для этого ученые в вакуумированной экспериментальной камере нагрели мелкоизмельченный волластонит (CaSiO₃) примерно до 900 градусов Цельсия при высоком давлении, пока не образовался перовскит. Затем минерал деформировали путем повышения давления до 57 гигапаскалей, что примерно в 570 тысяч раз выше атмосферного давления на поверхности земли и исследовали его с помощью источника рентгеновского излучения PETRA III.

Оказалось, что дэйвмаоит, который в больших количествах встречается в базальтовой коре достаточно мягкий минерал. Это наблюдение позволило пересмотреть представления ученых о динамическом поведении погружающихся плит в нижней мантии. Динамика в зонах субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую, во многом зависит от твердости находящихся там минералов. Ввиду своей мягкости, дэйвмаоит может вызывать отделение нисходящей коры от нижележащей плиты, в результате чего процесс субдукции будет протекать отдельно для коры и оставшейся плиты. А отделившееся кора, в свою очередь, может вызывать характерные изменения скоростей сейсмических волн, которые наблюдаются на разных глубинах. 

Ученые часто пытаются получить материалы, которые стабильны в глубоких слоях земли и изучить их. Ранее мы писали о том, что физики сжали алмаз до давления в несколько терапаскалей, чтобы узнать, как он ведет себя в ядре планеты. А для того, чтобы смоделировать условия глубокой мантии Земли, физики синтезировали сверхплотную форму силиката магния.

Алиса Родина