Новосибирские ученые повторили процессы, происходящие в верхней мантии Земли

В исследовании приняли участие ученые Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Института теоретической и прикладной механики СО РАН (ИТПМ СО РАН), Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).

Результаты работы были опубликованы в журнале Geochemistry International. Об этом рассказал первый автор статьи, главный научный сотрудник Института геологии и минералогии СО РАН, профессор кафедры Геолого-геофизического факультета НГУ Виктор Шарапов.

Изучать процессы, протекающие в недрах Земли, напрямую невозможно. Длина самой глубокой, Кольской, скважины не достигает и 13 км. О том, что происходит глубже, ученым приходится судить по косвенным признакам.

Одним из методов получения информации является изучение обломков глубинных пород - ксенолитов. Они выносятся на поверхность лавами во время извержения вулканов. Для геологов ксенолиты служат источником информации о минеральном составе и структуре земной коры и верхней мантии. Объектом изучения новосибирских ученых стали образцы ксенолитов, собранные на поверхности Авачинской сопки, действующего камчатского вулкана. Исследователи заинтересовались трещинами, точнее, трещинными полостями внутри ксенолитов.

- Представьте себе, с глубины 70–40 км на поверхность Земли выносятся кристаллические обломки пород, в которых есть открытые полости: в них растут и растворяются кристаллы. Почему так происходит? Согласно теории, из глубин верхней мантии Земли к ее поверхности двигаются не только потоки тепла, но и потоки жидких и газообразных флюидов. В результате в сейсмически активных горизонтах литосферы Земли одни элементы замещаются другими, и первозданная картина распределения минералов заменяется другой, потому что происходит растворение минералов флюидами в одном месте и отложение растворенных веществ в другом, - говорит Виктор Шарапов.

Математическую модель, описывающую эти процессы, создали сотрудники Института теоретической и прикладной механики СО РАН Анатолий и Вера Черепановы. Экспериментальная проверка предложенной модели была проведена в совместной Учебно-научной лаборатории электронно-лучевой сварки Института ядерной физики СО РАН и Новосибирского государственного университета. В лаборатории ученые создали условия, близкие к тем, в которых находятся ксенолиты внутри Земли в период вулканической активности. Для этой цели использовалась разработанная в ИЯФ СО РАН специальная установка для электронно-лучевой сварки, снабженная электронной пушкой.

- Установка формирует сфокусированный пучок электронов, диаметр которого может достигать 1 мм, - рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Юрий Семенов. Мощность установки такова, что с ее помощью можно работать с вольфрамом - самым тугоплавким металлом. Ее используют для получения тонких пленок, нанопорошков. Также применение установки связано с военной промышленностью.

С помощью установки ученые воздействовали на образец ксенолита с Авачинской сопки мощным пучком электронов диаметром 3-4 см. Температура плавления на поверхности образца составляла около 2500 градусов. Это примерно в два раза выше, чем в лаве самого горячего Гавайского вулкана.

- Граница плавления медленно опускается внутрь, а на поверхности кипит расплав, так же, как лава кипит на вулкане, - поясняет Виктор Шарапов. - Выделяющиеся потоки газов фильтруются по трещинам и растворяют минералы, которые находятся внутри. В условиях лаборатории этот процесс занимает менее 45 минут, а в природе - несколько дней, во время сильных землетрясений.

По словам ученых, полученные экспериментальные результаты, в частности, скорость растворения, хорошо согласуются с данными математической модели.

Дальнейшие работы в этом направлении позволят ученым существенно продвинуться в изучении физических процессов, происходящих в недрах Земли, и в будущем усовершенствовать прогнозирование сейсмической активности.

Источники: