От умеренной к дикой пластичности верхней мантии Земли

Почему горные породы в глубине Земли не всегда текут плавно

Глубоко под ногами мантия Земли состоит из горячих твердых пород, которые медленно ползут в течение миллионов лет и приводят в движение материки. Обычно этот медленный поток представляют как равномерный и плавный, подобно холодному меду. Статья, резюмированная здесь, ставит под сомнение такую картину. Изучая в лаборатории крошечные участки минералов мантии, авторы показывают, что даже кажущаяся твердой и медленно движущаяся порода может деформироваться в виде внезапных микроскопических всплесков. Эти скрытые толчки могут помочь объяснить загадочные глубинные землетрясения и другие неожиданные сдвиги внутри нашей планеты.

От мягкого течения к внезапным толчкам

Десятилетиями геофизики исходили из того, что верхняя мантия деформируется главным образом посредством непрерывного, почти постоянного ползучего течения. Крупномасштабные измерения движений плит и релаксации после землетрясений демонстрируют плавные, постепенные смещения, что подкрепляет эту точку зрения. Но работы в материаловедении выявили более богатый спектр поведения в металлах, льду и других кристаллах. Вместо равномерного течения многие материалы деформируются рывками — кратковременными всплесками внутренной деформации, называемыми лавинами дислокаций. Этот диапазон от почти спокойного «умеренного» поведения до сильно прерывистого «дикого» поведения называют умеренно-дикой пластичностью. Новое исследование задает вопрос: где на этом спектре находится основной минерал мантии Земли, оливин?

Исследуя крошечные объёмы мантии

Авторы пересматривают ряд экспериментов по наноиндентации на монокристаллах оливина. В этих тестах алмазный зонд с очень маленьким закруглённым концом вдавливают в кристалл, в то время как прибор фиксирует, как образец сопротивляется и как его поверхность прогибается. Сначала отклик упругий: кристалл отскакивает, если нагрузку снять. Затем резкий «pop-in» отмечает начало необратимой деформации. После этого вмятие углубляется по мере пластического течения кристалла. Команда сосредоточилась на этой поздней стадии, чтобы выяснить, не скрывает ли кажущаяся плавной пластическая деформация мелкие внезапные скачки смещения.

Обнаружение микроскопических лавин

Анализируя сотни кривых «нагрузка—смещение», исследователи обнаружили, что в большинстве испытаний встречалось много мелких всплесков — быстрых скачков глубины вдавления, которые выделялись на фоне шума. Эти импульсы обычно имели высоту всего в несколько нанометров, но происходили в пределах отдельных интервалов измерения, что указывает на очень быстрые события. Статистический анализ показал, что их размеры подчиняются логнормальному распределению — закономерности, ожидаемой, когда множество дислокаций (линейных дефектов в кристалле) движутся в связанных лавинах, а не независимо друг от друга. С помощью методов, превращающих данные индентации в оценки напряжения—деформации, авторы подсчитали, что после начального pop-in примерно 4–12% от общей пластической деформации в этих экспериментах приходились на такие всплески. В целом оливин при комнатной температуре ведет себя в основном умеренно, но с измеримой «дикой» компонентой.

Масштабирование от лаборатории к глубинам Земли

Чтобы связать эти результаты с мантией, исследование использует теоретическую рамку, которая соотносит степень дикости с двумя ключевыми факторами: размером наблюдаемой области и внутренним сопротивлением движению дислокаций. Когда образец велик или барьеры для движения дислокаций сильны, множество мелких лавин сливаются в видимо плавный сигнал — умеренная пластичность. Когда область мала или сопротивление слабо, доминируют отдельные лавины — дикая пластичность. Измерения и законы течения для оливина указывают на то, что в холодной, прочной литосферной верхней мантии сопротивление высоко и пластичность остается умеренной на большинстве масштабов. Напротив, в более горячей, слабее сопротивляющейся астеносфере та же рамка предсказывает крайне дикое поведение: деформация вплоть до размера зерна в основном переносится прерывистыми лавинами, а не устойчивым ползучим течением.

Скрытые всплески и таинственные глубинные сдвиги Земли

Эти результаты подразумевают переход с глубиной: от преимущественно плавной, умеренной пластичности в верхней части верхней мантии к сильно прерывистой, дикой пластичности глубже. Для спутника или станций GPS на поверхности Земли такое глубокое поведение по-прежнему будет выглядеть гладким, потому что бесчисленные лавины на уровне зерен усредняются по огромным расстояниям и долгим временам. Тем не менее там, где локально высоки скорости деформации — например, в зонах субдукции или в пластичных сдвиговых зонах — всплески движения дислокаций могут помогать инициировать или усиливать крупномасштабные нестабильности, включая глубинные землетрясения и события медленного скольжения. Проще говоря, исследование показывает, что кажущаяся спокойной, ползущая мантия Земли может на самом деле бурлить микроскопическими «каменными землетрясениями», и что эта скрытая дикость может быть важным недостающим компонентом в нашем понимании того, почему и как твердая Земля иногда внезапно дает сбой, а не течет тихо.

Цитирование: Wallis, D., Kumamoto, K.M. & Breithaupt, T. Mild-to-wild plasticity of Earth’s upper mantle. Nat. Geosci. 19, 339–344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41561-026-01920-7

Ключевые слова: верхняя мантия, оливин, пластичность, лавины дислокаций, астеносфера