Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature Geoscience, также могут объяснить некоторые глубокие землетрясения, намекнуть на то, что внутри Земли горячее, чем предполагалось, и предположить, почему частично расплавленные горные породы или магмы, питающие вулканы срединно-океанических хребтов, такие как исландские, отличаются химически от магм, поставляющих островные вулканы, такие как Гавайи.«У Земли много слоев, как у лука», — говорит Лоуэлл Мияги, доцент геологии и геофизики Университета Юты. «Большинство слоев определяется присутствующими минералами.
По сути, мы открыли новый слой на Земле. Этот слой определяется не присутствующими минералами, а их прочностью».Основные слои Земли — это тонкая кора глубиной от 4 до 50 миль (тоньше под океанами, толще под континентами), мантия, простирающаяся на 1800 миль, и железное ядро. Но есть подразделения.
Кора и часть верхней мантии образуют тектонические или литосферные плиты толщиной от 60 до 90 миль, которые похожи на верхнюю часть конвейерных лент, несущих континенты и морское дно.Океанические плиты лоб в лоб сталкиваются с континентальными плитами у берегов Чили, Перу, Мексики, Тихоокеанского Северо-Запада, Аляски, Камчатки, Японии и Индонезии.
В этих местах передний край океанической плиты изгибается в плиту, которая ныряет или «погружается» под континент, вызывая землетрясения и вулканизм, поскольку плиты опускаются в мантию, которая похожа на нижнюю часть конвейерной ленты. По оценкам Мияги, процесс субдукции идет медленно, средняя продолжительность падения плиты составляет примерно 300 миллионов лет.Мияги и его коллега-физик-минерал Хауке Марквардт из Университета Байройта в Германии определили вероятное присутствие сверхвязкого слоя в нижней мантии, сдавливая минеральный ферропериклаз между алмазными наковальнями ювелирного качества в прессах.
Они сжали его до давления, подобного давлению в нижней мантии Земли. Бриджманит и ферропериклаз — доминирующие минералы в нижней мантии.Исследователи обнаружили, что прочность ферропериклаза начинает расти при давлениях, эквивалентных глубине 410 миль (граница верхней и нижней мантии), а прочность увеличивается в три раза к тому времени, когда она достигает пика при давлении, равном глубине 930 миль.
И когда они смоделировали, как ферропериклаз ведет себя в смеси с бриджманитом глубоко под землей в верхней части нижней мантии, они подсчитали, что вязкость или жесткость мантийной породы на глубине 930 миль примерно в 300 раз больше, чем на глубине 410 миль. глубокая граница верхней и нижней мантии.«Результат был потрясающим, — говорит Мияги. «Это увеличение вязкости, вероятно, приведет к застреванию погружающихся плит — по крайней мере временно — на глубине около 930 миль под землей.
Фактически, предыдущие сейсмические изображения показывают, что многие плиты, похоже,« объединяются »на глубине около 930 миль, в том числе под Индонезией и на юге страны. Тихоокеанское побережье Америки.
Это наблюдение долгое время озадачивало сейсмологов, но в прошлом году сейсмологи пришли к новому консенсусу о том, что большинство плит объединяются ".Насколько жесткий или вязкий вязкий слой нижней мантии? По шкале паскаль-секунды, вязкость воды составляет 0,001, арахисового масла 200, а жесткий слой мантии составляет 1 000 миллиардов миллиардов (или 10 в 21-й степени), говорит Мияги.
Субдукция плиты вызывает землетрясения и извержения вулкановФинансирование нового исследования Мияги предоставил Национальный научный фонд США, а фонд Марквардта — Немецкий научный фонд.
«Движение плит на поверхности вызывает землетрясения и извержения вулканов», — говорит Мияги. «Причина, по которой плиты движутся по поверхности, заключается в том, что плиты тяжелые, и они тянут плиты, когда они погружаются в недра Земли. Так что все, что влияет на способ погружения плиты, вверх по линии будет влиять на землетрясения и вулканизм».
Он говорит, что срыв и прогиб тонущих плит из-за жесткого слоя в мантии может объяснить некоторые глубокие землетрясения выше в мантии; большинство землетрясений гораздо более мелкие и находятся в земной коре. «Все, что могло бы вызвать сопротивление плиты, могло потенциально вызвать ее изгиб или разрыв выше в плите, что вызвало бы сильное землетрясение».Мияги говорит, что жесткая верхняя часть нижней мантии также может объяснять разные магмы, наблюдаемые на двух разных типах вулканов на морском дне.
Переработанная кора и мантия из старых плит в конечном итоге появляются как новое морское дно во время извержений вулканических жерл вдоль срединно-океанических хребтов — восходящего конца конвейерной ленты. Магма в этом новом пластинчатом материале имеет химическую подпись более поздней, более мелкой, хорошо перемешанной магмы, которая несколько раз подвергалась субдуцированию и извергалась через конвейерную ленту. Но в островных вулканах, таких как Гавайи, образованных глубокой горячей точкой частично расплавленной породы, магма старше, из более глубоких источников и менее хорошо перемешана.
Мияги говорит, что вязкий слой в нижней мантии может быть тем, что разделяет источники двух разных магм, которые питают два разных типа вулканов.Еще одно значение жесткого слоя заключается в том, что «если вы уменьшите способность породы в мантии перемешиваться, теплу будет труднее выйти из Земли, что может означать, что внутренние части Земли горячее, чем мы думаем», — говорит Мияги.
Он говорит, что ученые считают, что средняя температура и давление на глубине 410 миль на границе верхней и нижней мантии составляет 2800 градусов по Фаренгейту, что в 235000 раз превышает атмосферное давление на поверхности Земли. Он подсчитал, что в самой жесткой области вязкого слоя, глубиной 930 миль, средняя температура составляет 3900 градусов по Фаренгейту, а давление в 640 000 раз превышает давление воздуха у поверхности Земли.
Изучение недр Земли путем сжатия кристалловТакие условия не позволяют геофизикам посещать мантию Земли, поэтому «мы знаем гораздо больше о поверхности Марса, чем о недрах Земли», — говорит Мияги. «Мы не можем попасть туда, поэтому мы должны провести эксперименты, чтобы увидеть, как эти минералы ведут себя в широком диапазоне условий, и использовать это для моделирования поведения Земли».Для этого «вы берете два бриллианта ювелирного качества и помещаете образец между остриями», — говорит он. «Образец диаметром примерно с человеческий волос.
Поскольку алмазные наконечники такие маленькие, вы создаете очень высокое давление, просто поворачивая винты на прессе вручную с помощью шестигранного ключа».Используя алмазные наковальни, исследователи выдавили тысячи кристаллов ферропериклаза под давлением до 960 000 атмосфер.
Они использовали ферропериклаз с 10% и 20% железа, чтобы повторить диапазон, обнаруженный в мантии.Чтобы наблюдать и измерить расстояние между атомами в кристаллах ферропериклаза, когда они были сжаты в алмазных наковальнях, геофизики обстреляли кристаллы рентгеновскими лучами из ускорителя в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии, выявив прочность минерала при различных давлениях и позволив моделирование, показывающее, как порода становится в 300 раз более вязкой на глубине 930 миль, чем на глубине 410 миль.
Это открытие стало неожиданностью, потому что ранее исследователи полагали, что вязкость лишь немного меняется при температуре и давлении внутри планеты.Моделирование исследования также показало, что чуть ниже зоны максимальной вязкости глубиной 930 миль плиты снова опускаются легче, поскольку нижняя мантия становится менее жесткой, что происходит из-за того, что атомы могут легче перемещаться внутри кристаллов ферропериклаза.Нисходящие плиты были замечены на глубине до границы ядра и мантии на глубине 1800 миль под землей.
По мере того как нижняя часть мантии, похожей на конвейерную ленту, медленно движется, плиты смешиваются с окружающей породой, прежде чем смесь извергнется снова, миллионы лет спустя и за тысячи миль от них в срединно-океанических хребтах.