«Силикатные жидкости, такие как базальтовая магма, играют ключевую роль на всех этапах глубинной эволюции Земли, от образования ядра и коры миллиарды лет назад до вулканической активности сегодня», — подчеркнул Санлуп. Чтобы изучить поведение магмы в глубокой мантии, исследователи выдавили небольшие кусочки базальта в ячейку с алмазной наковальней и применили давление, примерно в 600000 раз превышающее стандартное атмосферное давление. «Но чтобы исследовать базальтовую магму, поскольку она все еще существует в локальных участках мантии Земли, нам сначала пришлось расплавить образцы», — пояснила соавтор Зузана Конопкова из DESY, которая поддержала эксперименты в Extreme Condition Beamline (ECB), P02 в PETRA III.
Команда использовала два мощных инфракрасных лазера, каждый из которых концентрировал мощность до 40 Вт на площади размером всего 20 микрометров (миллионных долей метра), что примерно в 2000 раз превышает плотность мощности на поверхности Солнца.
Грамотная настройка лазерной оптики позволила команде стрелять нагревательными лазерами прямо через алмазные наковальни. С помощью этой уникальной установки образцы базальта можно было нагреть до 3000 градусов по Цельсию всего за несколько секунд, пока они полностью не расплавились. Чтобы избежать перегрева ячейки с алмазной наковальней, который исказил бы результаты рентгеновских измерений, нагревательный лазер включали только на несколько секунд до и во время съемки дифрактограмм рентгеновских лучей. Такое короткое время сбора данных, которое имеет решающее значение для экспериментов по плавлению, возможно только благодаря высокой яркости рентгеновского излучения в ECB. «Впервые мы смогли изучить структурные изменения расплавленной магмы в таком широком диапазоне давлений», — сказала Конопкова.
Мощные рентгеновские лучи показывают, что так называемое координационное число кремния, самого распространенного химического элемента в магмах, в расплаве увеличивается с 4 до 6 под высоким давлением, а это означает, что ионы кремния перестраиваются в конфигурацию, в которой каждый из них имеет шесть ближайших кислородные соседи вместо обычных четырех в условиях окружающей среды. В результате плотность базальта увеличивается примерно с 2.От 7 грамм на кубический сантиметр (г / см3) при низком давлении до почти 5 г / см3 при 60 ГПа. «Важный вопрос заключался в том, как это изменение координационного числа происходит в расплавленном состоянии и как это влияет на физические и химические свойства», — пояснил Санлуп. «Результаты показывают, что координационное число изменяется от 4 до 6 постепенно, от 10 ГПа до 35 ГПа в магмах, и после завершения магмы становятся намного более жесткими, то есть гораздо менее сжимаемыми.«Напротив, в кристаллах силиката мантии изменение координационного числа происходит скачком при 25 ГПа, что определяет границу между верхней и нижней мантией.
Такое поведение учитывает особую возможность слоистых океанов магмы в недрах ранней Земли. «При низком давлении магмы гораздо более сжимаемы, чем их кристаллические аналоги, в то время как они почти такие же жесткие, выше 35 ГПа», — пояснил Санлуп. "Это означает, что в начале истории Земли, когда она начала кристаллизоваться, магмы могли иметь отрицательную плавучесть на дне как верхней, так и нижней мантии, что привело к существованию двух океанов магмы, разделенных кристаллическим слоем, поскольку был предложен ранее другими учеными."
При высоком давлении нижней мантии Земли магма становится настолько плотной, что камни больше не погружаются в нее, а плавают наверху. Таким образом, внутри молодой Земли могла образоваться кристаллизованная граница между верхним и нижним магматическим океаном. Существование двух отдельных магматических океанов было постулировано для согласования геохронологических оценок продолжительности эры магматического океана с моделями охлаждения расплавленной магмы.
В то время как геохронологические оценки дают продолжительность эпохи магматического океана в несколько десятков миллионов лет, модели охлаждения показывают, что отдельный магматический океан охладился бы намного быстрее, всего за один миллион лет. Кристаллический слой термически изолировал бы нижнюю часть океана магмы и значительно замедлил бы его остывание.
Сегодня все еще есть остатки базального магматического океана в виде очагов расплава, обнаруженных на поверхности ядра Земли сейсмологическими исследованиями.