Ученые разгадали загадку сейсмических волн в глубинах Земли

Таинственное поведение сейсмических волн, проникающих на глубину почти 3000 километров под поверхность Земли и внезапно ускоряющихся на границе ядра, наконец-то получило объяснение благодаря новому исследованию.

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

Аномалия в слое D

Самый нижний слой мантии Земли, известный как слой D, находится на глубине около 2700 километров, непосредственно над границей с ядром планеты. Сейсмологи давно замечали, что на этой глубине сейсмические волны резко меняют скорость, что обычно указывает на переход в другой тип материала. Однако причина этого явления оставалась загадкой.

Еще в 2004 году Мураками обнаружил, что на границе слоя D основной минерал мантии - перовскит - превращается в другую форму, постперовскит, способную выдерживать огромное давление и температуру. Изначально ученые предполагали, что именно эта трансформация объясняет ускорение волн. Однако в 2007 году стало известно, что только изменение 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-то нашли последний элемент головоломки", - заявил Мураками.

Эксперимент в лаборатории

Для воспроизведения свойств постперовскита ученые синтезировали чистый ортопироксен MgGeO₃, нагревая 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 СО₂, 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", - пояснил 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.