Склад мантії нижче кордону 670 км

Проведені у останні десятиліття дослідження структурних переходів мінералів з допомогою рентгенівських камер високого тиску дозволили змоделювати деякі особливості складу і структури геосфер глибше кордону 670 км. У цих експериментах досліджуваний кристал поміщається між двома алмазними пірамідами (ковадлами), при стискуванні яких створюються тиску, сумірних із давлениями всередині мантії і земного ядра. Проте щодо цієї маленької частини мантії, частку якої припадає понад половину надр Землі, продовжує залишатися багато запитань. Нині більшість дослідників згодні із тим у тому, що ця глибинна (нижня у традиційному розумінні) мантія переважно складається з перовскитоподобной фази (Mg,Fe)SiO3, частку якої припадає близько 70% її обсягу (40% обсягу всієї Землі), і магнезиовюстита (Mg, Fe)O (~20 %). Решта 10% становлять стишовит і оксидные фази, містять Ca, Na, K, Al і Fe, кристалізація яких допускається в структурних типах ильменита-корунда (твердий розчин (Mg, Fe)SiO3-Al2O3), кубічного перовскита (CaSiO3) і Са-феррита (NaAlSiO4). Освіта цих сполук пов'язані з різними структурними трансформаціями мінералів верхньої мантії. У цьому одну з основних мінеральних фаз щодо гомогенної оболонки, що у інтервалі глибин 410-670 км, - шпинелеподобный рингвудит трансформується на асоціацію (Mg, Fe)-перовскита і Mg-вюстита межі 670 км, де тиск становить ~24 ГПа. Інший найважливіший компонент перехідною зони - представник сімейства граната піроп Mg3Al2Si3O12 відчуває перетворення із заснуванням ромбического перовскита (Mg, Fe)SiO3 і твердого розчину корунда-ильменита (Mg, Fe)SiO3 - Al2O3 при кілька великих тисках. З цією переходом пов'язують зміна швидкостей сейсмічних хвиль межі 850-900 км, відповідному одній з проміжних сейсмічних кордонів. Трансформація Са-граната андрадита з меншими тисках ~21 ГПа призводить до утворення чергового згаданого вище важливого компонента нижньої мантії - кубічного Са-перовскита CaSiO3 . Полярне ставлення між основними мінералами цієї зони (Mg,Fe)- перовскитом (Mg,Fe)SiO3 і Mg-вюститом (Mg, Fe)O варіює у досить межах і глибині ~1170 км - при тиску ~29 ГПа і температурах 2000-2800 градусів змінюється від 2 : 1 до 3 : 1.

Виняткова стабільність MgSiO3 зі структурою типу ромбического перовскита широтою діапазону тисків, відповідних глибинам низів мантії, дозволяє слід його однією з головних компонентів цієї геосферы. Підставою при цьому укладання послужили експерименти, у ході зразки Mg-перовскита MgSiO3 понесли тиску, в 1,3 млн раз перевищує атмосферне, і водночас на зразок, поміщений між алмазними ковадлами, впливали лазерним променем з температурою близько 2000 градусів.

Отже змоделювали умови, існуючі на глибинах ~2800 км, тобто поблизу нижньої межі нижньої мантії. Виявилося, що під час, ні після експерименту мінерал не змінив свої структуру і склад. Отже, Л. Ліу, і навіть Є. Ниттл та О. Жанлоз дійшли висновку, за яким стабільність Mg-перовскита дозволяє розглядати його як найпоширеніший мінерал Землі, що становить, очевидно, майже половину її маси.

Не меншою сталістю вона й вюстит FexO, склад що його умовах нижньої мантії характеризується значенням стехиометри- ческого коефіцієнта x < 0,98, що означає одночасна наявність у складі Fe2+ і Fe3+. У цьому, відповідно до експериментальним даним, температура плавлення вюстита за українсько-словацьким кордоном нижньої мантії і шару D", за даними Р. Болера (1996), становить ~5000 K, що значно вище 3800 градусів, гаданої при цьому рівня (при середніх температурах мантії ~2500 градусів під аркушами нижньої мантії допускається підвищення приблизно на 1300 градусів). Отже, вюстит повинен зберегтися у цьому межі в твердому стані, а визнання фазового контрасту між твердої нижньої мантією і рідким зовнішнім ядром потребує більше гнучкого підходу і вже у всякому разі означає чітко окресленої кордони між ними.

Слід зазначити, що у переважаючих великих глибинах перовскитоподобных фазах можуть утримувати дуже обмежена кількість Fe, а підвищені концентрації Fe серед мінералів глибинної асоціації характерні для магнезиовюстита. У цьому для магнезиовюстита доведено можливість переходу під впливом високого тиску частини що міститься у ньому двухвалентного заліза в трехвалентное, залишається у структурі мінералу, з одночасним виділенням відповідного кількості нейтрального заліза. За підсумками цих даних співробітники геофізичної лабораторії Иститута Карнегі Х. Мао, П. Белл і Т. Яги висунули нові театральні ідеї про диференціації речовини у затінках Землі. У першому етапі завдяки гравітаційної нестійкості магнезиовюстит занурюється на глибину, де під впливом тиску потім із нього виділяється певна частина заліза в нейтральній формі. Остаточный магнезиовюстит, характеризую- щийся дешевше щільністю, піднімається в верхні верстви, де знову змішується з перовскитоподобными фазами. Контакт із нею супроводжується відновленням стехиометрии (тобто целочисленного відносини елементів у хімічній формулі) магнезиовюстита і призводить до можливості повторення описаного процесу. Нові дані дозволяють кілька розширити набір ймовірних для глибокої мантії хімічних елементів. Наприклад, обгрунтована М. Росс (1997) стійкість магнезита при тисках, відповідних глибинам ~900 км, свідчить про можливе присутність вуглецю у складі.

Виділення окремих проміжних сейсмічних кордонів, розташованих нижче рубежу 670, корелює з цими про структурних трансформаціях мантийных мінералів, форми яких можуть бути різноманітними. Ілюстрацією зміни багатьох властивостей різних кристалів при високих значеннях фізико-хімічних параметрів, відповідних глибинної мантії, може бути, відповідно до Р. Жанлозу і Р. Хейзену, зафіксована під час експериментів при тисках 70 гигапаскалей (ГПа) (~1700 км) перебудова ионноковалентных зв'язків вюстита у зв'язку з металевим типом межатомных взаємодій. Рубіж 1200 може відповідати пророкованої з урахуванням теоретичних квантово-механических розрахунків й згодом змодельованій при тиску ~45 ГПа і температурі ~2000 градусів перебудові SiO2 зі структурою стишовита в структурний тип CaCl2 (ромбічний аналог рутила TiO2), а 2000 км - його наступному перетворення на фазу зі структурою, проміжної між a-PbO2 і ZrO2 , що характеризується більш щільною упаковкою кремнийкислородных октаэдров (дані Л.С. Дубровинского з співавторами). Також починаючи з цих глибин (~2000 км) при тисках 80-90 ГПа допускається розпад перовскитоподобного MgSiO3, що супроводжується зростанням змісту периклаза MgO і вільного кремнезему. При кілька більшому тиску (~96 ГПа) і температурі 800 градусів встановлено прояв политипии у FeO, що з освітою структурних фрагментів типу никелина NiAs, які чергуються з антиникелиновыми доменами, у яких атоми Fe перебувають у позиціях атомів As, а атоми Про - в позиціях атомів Ni. Поблизу кордону D" відбувається трансформація Al2O3 зі структурою корунду в фазу зі структурою Rh2O3, експериментально змодельована при тисках ~100 ГПа, цебто в глибині ~2200-2300 км. ' використанням методу мессбауэровской спектроскопії в такому ж тиску обгрунтований перехід із высокоспинового (HS) в низкоспиновое стан (LS) атомів Fe у структурі магнезиовюстита, тобто зміна їх електронної структури. У зв'язку з цим варто підкреслити, що структура вюстита FeО за високого тиску характеризується нестехиометрией складу, дефектами атомної упаковки, политипией, і навіть зміною магнітного упорядкування, що з зміною електронної структури (HS => LS - перехід) атомів Fe. Відзначені особливості дозволяють розглядати вюстит як із найскладніших мінералів із досить незвичними властивостями, визначальними специфіку збагачених їм глибинних зон Землі поблизу кордону D".

Сейсмологические виміру зазначають, як і внутрішнє (тверде) і зовнішня (рідке) ядра Землі характеризуються меншою щільністю порівняно з значенням, одержуваним з урахуванням моделі ядра, який перебуває тільки з металевого заліза за ті самі фізико-хімічних параметрах. Це - зменшення щільності більшість дослідників пов'язують із присутністю в ядрі таких елементів, як Si, O, P.S і навіть Про, їхнім виокремленням сплави з залізом. Серед фаз, ймовірних для таких "фаустовских" фізико-хімічних умов (тиску ~250 ГПа і температури 4000-6500 градусів), називаються Fe3S із добре відомим структурним типом Cu3Au і Fe7S, структура якого зображено на рис. 3. Інший гаданої в ядрі фазою є b-Fe, структура якої характеризується четырехслойной плотнейшей упаковкою атомів Fe. Температура плавлення цієї фази становить 5000 градусів при тиску 360 ГПа. Присутність водню в ядрі довгий час викликало дискусію за його низькою розчинності в залозі при атмосферному тиску. Проте недавні экспериме- нты (дані Дж. Бэддинга, Х. Мао і Р. Хэмли (1992)) дозволив встановити, що гідрид заліза FeH може сформуватися при високих температур і тисках і штучним виявляється стійкий при тисках, перевищують 62 ГПа, що він відповідає глибинам ~1600 км. У цьому присутність значних кількостей (до 40 мовляв. %) водню в ядрі цілком можна знижує його щільність до значень, які узгоджуються з цими сейсмології.

Можна прогнозувати, нові даних про структурні зміни мінеральних фаз великих глибинах дозволять знайти адекватну інтерпретацію та інших найважливішим геофизическим кордонів, фиксируемым у надрах Землі. Загальне висновок таке, що у таких глобальних сейсмічних рубежах, як 410 і 670 км, відбуваються значних змін в мінеральному складі мантийных порід. Мінеральні перетворення відзначаються і глибинах ~850, 1200, 1700, 2000 і 2200-2300 км, тобто у межах нижньої мантії. Це дуже важливу обставину, що дозволяє відмовитися від уявлення про її однорідної структурі.