Каково строение Земли? Начнем с того, что она состоит из нескольких слоев: коры, верхней и нижней мантии и ядра. Мантия составляет большую часть объема нашей планеты — 84%. Нижняя мантия составляет 55% объема Земли — она также более горячая и плотная, чем верхняя мантия.

Нижняя мантия сыграла важную роль в эволюции Земли, в том числе в том, как Земля охлаждалась на протяжении миллиардов лет, как циркулировали материалы и как вода накапливалась и транспортировалась из / в глубокие недра в геологическом масштабе времени.

На протяжении более семи десятилетий минералогия нижней мантии широко изучалась. Десятилетия исследований, включая лабораторные эксперименты, компьютерное моделирование и изучение включений в глубоководных алмазах, привели к выводу, что нижняя мантия состоит из трех основных минералов: бриджманита, ферропериклаза и давемаоита.

В исследовании, недавно опубликованном в Nature, группа ученых, в том числе Бенкван Ко, бывший аспирант АГУ, ныне постдокторант Мичиганского государственного университета, и Санг—Хон Дан Шим, профессор Школы исследования Земли и космоса и профессор материаловедения имени Навроцкого в АГУ, завершили новый эксперимент с высоким давлением, использующий несколько различных способов нагрева, выявил дополнительный минерал, находящийся в нижней мантии.

Среди этих трех основных минералов два минерала бриджманит и давемаоит имеют так называемые кристаллические структуры перовскитового типа. Эта структура также широко известна в физике, химии и материаловедении, поскольку некоторые материалы со структурой типа перовскита обладают сверхпроводимостью.

На небольших глубинах минералы со сходной кристаллической структурой часто сливаются и становятся отдельными минералами, как правило, в условиях высокой температуры окружающей среды. Например, минерал диопсид содержит как кальций, так и магний и стабилен в земной коре. Однако, несмотря на структурное сходство, существующие исследования показали, что давемаоит, богатый кальцием, и бриджманит, богатый магнием, остаются отдельными по всей нижней мантии.

"Почему давемаоит и бриджманит не сливаются в одно целое, несмотря на то, что они имеют очень схожие структуры атомного масштаба? Этот вопрос интересовал исследователей на протяжении двух десятилетий", - сказал Шим. "Было предпринято много попыток найти условия, при которых эти два минерала сливаются, но в результате экспериментов неизменно получались два отдельных минерала. Именно здесь мы почувствовали, что нам нужны свежие идеи для экспериментов".

Новый эксперимент дал исследовательской группе возможность опробовать различные методы нагрева для сравнения методов. Вместо медленного повышения температуры в обычных экспериментах с высоким давлением они очень быстро повысили температуру до высокой температуры, связанной с нижней мантией, достигнув 3000-3500 градусов по Фаренгейту в течение секунды. Причина этого заключалась в том, что после образования двух минералов со структурой перовскита им становится очень трудно слиться, даже если они попадают в температурные условия, при которых один минерал перовскита должен быть стабильным.
Быстро нагревая образцы до целевых температур, Ko и Shim смогли избежать образования двух минералов со структурой перовскита при низких температурах. Как только они достигают температуры нижней мантии, они отслеживают, какие минералы образуются в течение 15-30 минут, используя рентгеновские лучи на усовершенствованном источнике фотонов. Они обнаружили, что образуется только единичный минерал перовскит, неожиданный по сравнению с предыдущими экспериментами. Они обнаружили, что при достаточно высоких температурах, превышающих 3500 F, давемаоит и бриджманит становятся единым минералом в структуре перовскитового типа.

"Считалось, что большая разница в размерах между кальцием и магнием, основными катионами давемаоита и бриджманита, соответственно, должна препятствовать слиянию этих двух минералов", - сказал Ко. "Но наше исследование показывает, что они могут преодолеть такую разницу в жарких условиях".

Эксперименты показывают, что более глубокая нижняя мантия с достаточно высокой температурой должна иметь минералогию, отличную от более мелкой нижней мантии. Поскольку на ранней Земле мантия была намного теплее, новые результаты группы показывают, что большая часть нижней мантии тогда имела один минерал со структурой перовскита, что означает, что минералогия отличалась от современной нижней мантии.

Это новое наблюдение оказывает ряд существенных воздействий на наше понимание глубин Земли. Многие сейсмические наблюдения показали, что свойства более глубокой нижней мантии отличаются от свойств более мелкой нижней мантии. Сообщается, что изменения будут постепенными. В экспериментах исследовательской группы показано, что слияние бриджманита и давемаоита происходит постепенно.

Кроме того, свойства породы с тремя основными минералами, бриджманитом, ферропериклазом и давемаоитом, плохо согласуются со свойствами более глубокой нижней мантии. Ко и его коллеги предсказывают, что эти нерешенные проблемы могут быть объяснены слиянием бриджманита и давемаоита в новый единый минерал со структурой перовскита.