Группа ученых под руководством геолога Бенквана Ко (Byeongkwan Ko) из Университета штата Мичиган раскрыла, что в недрах Земли на глубине 2900 километров существуют условия для образования ранее неизвестного минерального вещества. Согласно результатам исследования, опубликованным в журнале Nature, экстремально высокие давление и температура способствуют формированию богатого кальцием бриджманита, что изменяет взгляд на минералогию нижней мантии.
Считается, что нижняя мантия Земли состоит из трех основных минеральных фаз: ферропериклаза (Mg,Fe)O и двух перовскитов — бриджманита (Mg,Fe)(Al,Si)O3 и давемаоита (CaTiO3). Перовскитами называют минеральные структуры с формулой ABX3, которые, как известно, обладают необычными свойствами, включая сверхпроводимость. На больших глубинах в условиях высокой температуры минералы с похожей кристаллической структурой сливаются, образуя новые минералы. Хотя было показано, что в средах с характерными для нижней мантии высокой температурой и давлением давемаоит отсутствует, он не может полностью раствориться в бриджманите, содержащем магний и кремний.
Ученые подозревали, что при специфичных условиях давемаоит способен полностью слиться с бриджманитом с образованием единой перовскитной фазы в нижней мантии. Было предпринято множество попыток найти эти условия, однако результаты экспериментов всегда давали две перовскитные фазы. В новой работе ученые исследовали растворимость CaTiO3 в бриджманите, содержащем железо и алюминий.
Температуру образцов резко поднимали до 1800-3000 кельвинов при давлении в 33-110 гигапаскалей. Для этой цели были использованы ячейки с алмазными наковальнями и лазерным нагревом, а за трансформациями минералов следили методом рентгеновской дифракции на источнике синхротронного излучения Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории.
Было показано, что растворимость кальция в бриджманите резко возрастает при температуре около 2300 кельвинов и выше 40 гигапаскалей до уровня, достаточного для полного растворения всего CaSiO3. Это приводит к исчезновению перовскита CaSiO3 на глубинах более 1800 километров и появлению обогащенного кальция бриджманита. Ключевую роль в этом процессе в бриджманите играет железо, повышая растворимость кальция.
Таким образом, более глубокая нижняя мантия с достаточно высокой температурой должна иметь минералогический состав, отличный от менее глубокой нижней мантии. Поскольку недра ранней Земли были намного теплее, большая часть нижней мантии содержала одну перовскитную фазу, и ее минералогия значительно отличалась от современной. Однако пока неизвестно, могло ли это повлиять на важные глобальные процессы, такие как тектоника плит или Великое кислородное событие 2,45 миллиарда лет назад.