Ученые разгадали загадку сейсмических волн в глубинах Земли

Загадочное поведение сейсмических волн, проходящих почти 3000 километров под поверхностью Земли и неожиданно ускоряющихся на границе ядра, наконец получило объяснение благодаря новому исследованию.

Профессор экспериментальной минеральной физики ETH Zurich Мотохико Мураками и его команда воссоздали в лаборатории экстремальные условия земных недр и обнаружили уникальный механизм, влияющий на распространение волн.

Аномалия слоя D"
Самый нижний слой мантии Земли, известный как слой D", расположен на глубине около 2700 километров, непосредственно над границей с ядром планеты. Сейсмологи давно заметили, что на этой глубине сейсмические волны резко меняют скорость, что обычно указывает на переход в принципиально иной тип материала. Однако причина этого явления оставалась неясной.

Еще в 2004 году Мураками обнаружил, что на границе слоя D" основной минерал мантии — перовскит — превращается в другую форму, так называемый постперовскит, способный выдерживать колоссальные давление и температуру. Изначально ученые предположили, что именно эта трансформация объясняет ускорение волн. Однако в 2007 году выяснилось, что одного лишь изменения минерального состава недостаточно для такого эффекта.

Разгадка пришла с помощью сложных компьютерных моделей: оказалось, что твердость постперовскита зависит от ориентации его кристаллов. Когда все кристаллы выстраиваются в одном направлении, сейсмические волны начинают двигаться быстрее. «Мы наконец нашли последний элемент головоломки», — заявил Мураками.

Эксперимент в лаборатории
Чтобы воспроизвести свойства постперовскита, ученые синтезировали чистый ортопироксен MgGeO₃, нагрев смесь оксида германия и оксида магния в электрической печи при 1000 °C в течение 104 часов. Затем образец подвергли колоссальному давлению с помощью алмазных наковален и нагрели лазером на CO₂, имитируя условия слоя D". Акустические измерения и рентгеновская дифракция подтвердили, что при определенной деформации кристаллы выравниваются, создавая эффект ускорения волн.

Решение сейсмической загадки
Геологи давно предполагали, что в нижних слоях мантии происходит конвекция, подобная кипению воды, заставляющая твердую породу медленно течь. Однако прямых доказательств этого не было. Эксперименты Мураками впервые подтвердили, что именно такое движение выстраивает кристаллы постперовскита в одном направлении, вызывая аномалию слоя D".

«Это открытие не только решает загадку слоя D", но и позволяет лучше понять динамику глубинных процессов Земли, — поясняет Мураками. — Наша планета активна не только на поверхности, но и в своих недрах». Это исследование может стать поворотным моментом в геологии, углубив понимание тектонических процессов, вулканической активности и формирования магнитного поля Земли.

Результаты работы опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.