Земля устроена как слоеный пирог: сверху находится тонкая земная кора, под ней — мощная мантия, а еще глубже — металлическое ядро. Несмотря на то, что земная кора составляет лишь небольшую часть радиуса планеты (несколько десятков километров), ее полное изучение во всю глубину для человека остается невозможным: глубина бурения ограничена примерно 12 километрами. В результате более глубокие слои Земли остаются практически недоступными для прямого изучения.
«Самая глубокая скважина — Кольская сверхглубокая — достигла всего около 12—14 километров. Даже земную кору глубиной в 20 километров до конца не пробурили, а верхняя мантия начинается гораздо глубже. Поэтому вопрос, который интересует геологов — что вообще там происходит».
Мантия занимает огромный объем Земли и в основном состоит из силикатных пород: соединений кремния и кислорода с другими элементами. Она делится на верхнюю и нижнюю части, различающиеся по физическим свойствам. Верхняя мантия простирается примерно до глубины порядка 670 километров.
Несмотря на распространенное представление, мантия не является жидкой. «Жидкая у нас только внешняя часть ядра. Мантия в основном твердая», — объясняет ученый. Однако внутри нее есть тонкий слой — астеносфера, который частично подплавлен. В нем твердые зерна окружены тонкой пленкой расплава, благодаря чему вещество становится более пластичным. Именно по этому слою скользят литосферные плиты — огромные блоки земной коры. Их движение приводит к землетрясениям, формированию гор и другим геологическим процессам.
На температуру влияет так называемый тепловой поток — количество энергии, поступающей из глубин Земли. Например, в зонах субдукции, где одна литосферная плита уходит под другую, в мантию затягиваются более холодные участки коры. А в местах, где поднимаются мантийные плюмы — потоки горячего вещества из глубин, — наоборот, температура значительно выше. Такие плюмы могут достигать поверхности и вызывать вулканизм. «Это как газовая горелка, которая прожигает земную кору», — говорит исследователь. Примером служат Гавайские острова или Исландия, так называемые горячие точки.
Типичные породы мантии Земли: гранатовый лерцолит в образце (а) и шлифе, поляризованный свет (б); эклогит в образце (в) и шлифе, поляризованный свет (г) (Рагозин и др., 2014; Frost, 2015; Kueth, 2016). Grt — гранат, Ol — оливин, Omp — омфацит
Верхняя мантия сложена в основном ультраосновными породами — перидотитами. В них относительно мало кремния по сравнению с другими типами пород. Главные минералы здесь — оливин, пироксены и гранаты. Оливин легко узнать по характерному оливково-зеленому цвету. Пироксены и гранаты имеют более сложный состав и разнообразные примеси. Кроме перидотитов, встречаются и другие породы, например пироксениты и эклогиты. Последние особенно интересны ученым: считается, что это бывшая земная кора, которая была затянута в мантию в зонах субдукции и изменилась под действием высоких температур и давления. Практически все мантийные породы могут содержать алмазы — один из самых ценных минералов, формирующихся на глубинах более 150 километров.
В верхней мантии происходит множество процессов. Один из основных — частичное плавление пород. Оно может происходить из-за повышения температуры или из-за поступления веществ, понижающих температуру плавления: к ним относятся вода, углекислый газ и некоторые химические элементы. Именно так образуются, например, кимберлитовые расплавы — магмы, способные выносить алмазы на поверхность.
Еще один важный процесс — метасоматоз. Это изменение состава породы под действием флюидов или расплавов, которые приносят одни элементы и уносят другие. В результате меняется и химический, и минеральный состав породы.
Некоторые процессы в мантии не проявляются на поверхности напрямую, но другие могут иметь масштабные последствия. Например, мантийные расплавы могут подниматься вверх и извергаться. Кимберлитовые извержения часто носят взрывной характер. Когда магма поднимается, давление падает, растворенный в ней углекислый газ выделяется и происходит эффект, похожий на открытие шампанского, только гораздо мощнее. В результате формируются кимберлитовые трубки — воронкообразные структуры, заполненные обломками пород.
Другой пример — мантийные плюмы. Они могут вызывать длительные и масштабные извержения. С плюмами связывают масштабные извержения, в результате которых образовались Сибирские траппы — огромные магматические покровы. По мнению ученых, именно эти извержения вызвали резкие изменения климата и могли привести к одному из крупнейших вымираний в истории Земли. При этом мантийные процессы могут быть и полезными: с ними связаны крупные месторождения полезных ископаемых, например никеля и меди.
Условия в верхней мантии экстремальные. Давление достигает десятков тысяч атмосфер. В своих экспериментах ученые работают с давлениями до 7,8 гигапаскаля (GPa) — это примерно 75 тысяч атмосфер, что соответствует глубинам около 250 километров. Температуры тоже очень высокие — в среднем от 900 до 1 500 ℃. Однако они распределены неравномерно. «Давление с глубиной растет довольно равномерно, а температура — нет. Где-то мантия горячее, где-то холоднее», — говорит Иван Новосёлов.
Включения гранатов перидотитового (а, б, г, д), пироксенитового (в) и эклогитового (е) парагенезисов в кристаллах алмаза
Поскольку напрямую добраться до мантии невозможно, ученые используют косвенные методы. Один из них — геофизика. С помощью сейсмических волн, возникающих при землетрясениях, исследователи анализируют, как меняется их скорость и как они влияют на разные слои Земли. По этим изменениям удается восстановить внутреннее строение планеты и понять, где находятся более плотные или более разогретые области. Другой важный источник информации — ксенолиты, то есть фрагменты мантии, которые выносятся на поверхность вместе с магмой. Ученые изучают их химический и минеральный состав, чтобы восстановить условия, в которых эти породы сформировались. Особую роль играют алмазы. «Алмаз — это как консерва. Внутри него сохраняются включения — частицы среды, в которой он сформировался», — объясняет Иван Новосёлов. Исследователи анализируют эти включения, поскольку они практически не изменяются со временем и позволяют судить о составе глубинных слоев Земли. Кроме того, ученые изучают состав вулканических пород мантийного происхождения и по ним пытаются восстановить, какие процессы происходили в глубине. Еще один подход — лабораторные эксперименты: исследователи воссоздают высокие давления и температуры и наблюдают, как ведут себя различные вещества. Это позволяет определить, какие процессы в мантии возможны, а какие — нет. Именно этим и занимается Иван и его коллеги. Так, например, проводятся изучение мантийного метасоматоза при поддержке гранта Российского научного фонда № 24-77-10006 и исследование свойств полученных в экспериментах кристаллов алмаза за счет гранта РНФ № 24-17-00032.
Несмотря на значительный прогресс, многие вопросы остаются открытыми. Один из самых важных — механизм образования алмазов. Ученые знают, что алмаз — это форма углерода, которая стабильна при высоком давлении, но как именно он формируется в природе, до конца не ясно. Существует несколько гипотез: рост из расплава, из флюида, в результате химических реакций. Однако ни одна из них не объясняет все наблюдаемые особенности. «Алмазы все разные — как снежинки. У них разное строение, состав, включения. Это значит, что они могли формироваться разными способами», — говорит Иван Новосёлов.
Изучение мантии похоже на расследование. Ученые работают не с самими процессами, а с их следами — минералами, породами, включениями. «Мы имеем дело с тем, что происходило миллионы лет назад, и пытаемся по этим следам восстановить картину», — отмечает ученый.
Именно поэтому исследования продолжаются: каждая новая находка может изменить представления о процессах, происходящих в глубине Земли. А значит, впереди у науки еще множество открытий о том, что происходит под нашими ногами.
Екатерина Муковозчик
Фото и изображения предоставлены Иваном Новосёловым
