Аризонские геологи аппетитно описали мантию Земли

Загадка: "Нуга, карамель и толстый, то-о-олстый слой шоколада". Нет, неправильно. Да, планета, но другая — Земля. Кто-то, возможно, думает, что запасы нуги, шоколада и марципана с рахат-лукумом давно вычерпаны из земных недр. На деле ситуация в нашей планете не столь печальная и куда интереснее, чем можно себе представить, — в этом убеждает пара американских учёных.

Занятное открытие сделали недавно Аллен Макнамара ( Allen K. McNamara) и Эдвард Гарнеро (Edward J. Garnero) из колледжа исследований Земли и космоса (School of Earth and Space Exploration) при университете Аризоны (Arizona State University — ASU).

Результаты их исследования, увы, трудно изложить обычным языком. Однако учёные рискнули передать суть своей работы несложным и доступным слогом, понятным простому человеку, не искушённому ни в исследованиях Земли, ни космоса.

У ряда планет (у нашей, например) между корой и железно-никелевым ядром диаметром порядка 6,4 тысячи километров находится слой из горячей горной породы — мантия.

Кора толщиной около 40 километров "работает" как музей геологической истории, в котором постепенно накапливается прошлое планеты в слоях породы.


Мантия же постоянно меняется из-за происходящего в ней конвективного перемешивания входящих в неё веществ. В ряде уже сложившихся моделей, как правило, предполагается, что состав мантии практически равномерный. Однако ж Гарнеро и Макнамара обнаружили, что это далеко не так. И это многое меняет.

По словам геологов из упомянутого аризонского дуэта, процессы, происходящие в самой удалённой от нас части земной мантии, в её нескольких самых нижних сотнях километров, играют принципиальную роль в геологической эволюции Земли.

Исследования этого слоя планеты очень важны — они хорошо помогают привести в систему многие сведения из области современной геофизики и геохимии.

Макнамара и Гарнеро обнаружили, что в том регионе мантия характеризуется значительной неоднородностью. Особенно интересные процессы происходят в самых нижних нескольких десятках километров. Там в мантии существуют потоки вещества, которые ведут себя изолированно, независимо друг от друга, и хотя температура там очень большая (несколько тысяч градусов), они движутся очень медленно.

В целом, как отметили исследователи, этот регион самый "аномальный" по сравнению с другими частями мантии.

Вообще, эти потоки в мантии (их называют плюмами) сами по себе — любопытные штуки. В частности тем, что их движение не зависит от обычных конвективных потоков в мантии. Кроме того, плюмы влияют на возникновение разных интересных геологических образований на коре — например, земных и даже марсианских горячих точек.


Так что же происходит в мантии? Аллен Макнамара объясняет это очень просто и вкусно.

"Представьте себе котелок с кипящей водой. Материал для примера роли не играет, — уверяет ученый. — Теперь мысленно шмякните в неё баночку мёда. Конвекция в нём будет происходить независимо от конвекции в воде — получится сложная система".

Конечно, предполагается, что мёд растворяться не будет, что несколько странно, зато чуть-чуть аппетитно. Но важно, что тут соблюдена логика модели процессов внутри мантии, выявленная Макнамарой и Гарнеро.

К ней учёные пришли, пока разбирались с давнишней проблемой наук о Земле: по причинам, казавшимся необъяснимыми, сейсмические волны в мантии распространяются с непостоянной скоростью. Проблема, надо сказать, болезненная: она мучила научный мир последние четверть века и привела к появлению двух десятков взаимно противоречивых теорий, объясняющих такой феномен.


Теперь анализ, сделанный специалистами из Аризоны, показал, что секрет — в разнородности вещества.

Исследование выявило, что загвоздка кроется в двух массивных густых скоплениях в мантии, резко отличающихся по химическому составу от окружающего их вещества. Одна расположена под Тихим океаном, другая — под Атлантическим и Африкой.


Под давлением мантия теряет свойства упорядоченного твёрдого тела и уподобляется текучему материалу. Поэтому-то она и ведёт себя особенно необычно в самом низу, у ядра.

"Можно представить, что эти скопления сделаны из арахисовой пасты, — не унимается наш гурман-геолог. — Они состоят из твёрдого вещества, но под действием высоких давлений и температур становятся мягкими, что твоё ореховое масло, которое при малейшем нажатии начинает растекаться".

Особенности динамики вещества в сих скоплениях важны для понимания не только изменений скорости сейсмических колебаний в мантии, но и перемещений тектонических плит, приводящих к землетрясениям и развитию земного рельефа — уточнили исследователи.


"Данные скопления сказываются на изменениях конвективной циркуляции в мантии. Не будь их, конвекция там протекала бы совсем по-другому", — добавляет Макнамара, на этот раз безо всякой кулинарии.

Кстати, из-за всего этого потоки тепла, распространяющегося от ядра, движутся вдоль "стенок" этих скоплений, за счёт чего и возникают плюмы, которые сформировали такие геологические диковины, как Гавайи, Галапагосы и Исландия.