Мантия Земли оказалась неоднородной по своему химическому составу - ее нижние слои содержат несколько больше содержащих большую долю кремния минералов по сравнению с верхней половиной этого слоя литосферы, заявляют японские геологи в статье, опубликованной в журнале Nature.
Литосфера Земли состоит из трех основных слоев - земной коры, мантии и ядра. В составе мантии ученые выделяют две части - верхнюю и нижнюю мантии. Многие геологи считают, что они отличаются друг от друга условиями - давлением и температурой, от которых зависит структура их пород, но при этом химический состав и того, и другого слоя остается примерно одинаковым.
Группа ученых под руководством Мотохико Мураками (Motohiko Murakami) из университета Тохоку в городе Сендай (Япония) обнаружила, что это далеко не так, изучая сейсмические свойства двух основных пород нижней мантии - перовскита и ферропериклаза.
Первый состоит из магния, железа и кремния и является основой мантии, занимая около 70% от ее состава. Ферропериклаз состоит из магния, железа и кислорода, без значительных примесей кремния, и составляет около 20% объема мантии.
Мураками и его коллеги попытались точно измерить скорость, с которой сейсмические волны проходят через данные минералы при давлении и температуре, господствующих в нижних слоях мантии. Для этого ученые сжали образцы пород до 900 тысяч атмосфер и нагрели их до температуры 2700 градусов, после чего пропускали через фрагменты минералов акустические колебания и пытались оценить их скорость.
Геологи измеряли ее при помощи так называемой бриллюэновской спектроскопии - методики наблюдения за акустическими колебаниями - фононами - при помощи лазера или других оптических излучателей. При включении источника света фотоны достигают образца, вызывают вибрации, и часть из них превращается в частицы света с меньшей энергией, по которой можно узнать скорость волн. Приборы на основе этой технологии позволяют с очень высокой точностью изучать сейсмические свойства даже очень маленьких образцов пород, размером в несколько микрометров.
Оказалось, что скорость распространения волн в этих минералах меняется совсем не так, как в опытах на образцах при относительно низком давлении. Такие результаты вынудили ученых пересмотреть текущие модели устройства нижней мантии. Они построили новую модель, отражающую экспериментальные данные.
По их словам, мантия должна состоять на 93% из богатого кремнием перовскита, что на 23% больше, чем считалось ранее. По всей видимости, обмена материей между верхними и нижними слоями мантии не существует, так как их химический состав сильно отличается.
Как утверждают ученые, нижняя мантия по своему устройству напоминает примитивные хондриты - богатые кремнием астероиды, образованные из первичной материи Солнечной системы. Относительная насыщенность нижней мантии соединениями кремниями объясняет то, почему в верхних слоях литосферы его несколько меньше, чем предсказывают теории формирования планеты.
