Движение дислокаций может контролировать деформацию бриджманита в нижней мантии Земли

Почему глубокая Земля ведёт себя иначе

Глубоко под нашими ногами, на глубинах от сотен до более чем тысячи километров, породы мантии Земли медленно текут в течение миллионов лет. Это глубокое движение управляет тектоникой плит, формирует вулканическую активность и влияет на распространение сейсмических волн при землетрясениях. В то же время сейсмические измерения выявили загадку: вокруг погружающихся литосферных плит волны ведут себя так, будто порода направленно «растянута», тогда как в большинстве нижней мантии волны распространяются почти одинаково во всех направлениях. В этом исследовании показано, что один ключевой минерал — бриджманит — может естественно объяснить оба поведения, причём главным фактором оказывается температура.

Самый распространённый минерал глубинной Земли

Считается, что бриджманит — наиболее обильный минерал нижней мантии Земли, составляющий примерно три четверти пород в этой области. На кристаллическом уровне он не обладает одинаковой прочностью во всех направлениях: в зависимости от ориентации мелких кристаллов сейсмические волны могут двигаться быстрее в одном направлении, чем в другом. Когда многие зерна имеют схожую ориентацию — образуется предпочтительная ориентация, или ткань — порода в целом становится анизотропной для сейсмических волн. В течение многих лет учёные спорили, означает ли почти изотропная нижняя мантия, что бриджманит там не деформируется процессом скольжения кристаллов, известным как дислокационное течение, которое обычно формирует такие предпочтительные ориентации.

Воссоздавая нижнюю мантию в лаборатории

Чтобы разобраться в этой проблеме, исследователи сжали синтетические образцы бриджманита до примерно 25 гигапаскалей — давлений, соответствующих глубинам около 700–800 километров — и нагрели их до 1700–2100 кельвинов. Они тестировали как образцы без железа, так и с его содержанием, что соответствует ожиданиям для реальных пород мантии. С помощью специальных прессов образцы сжимали и сдвигали при контролируемых скоростях, затем изучали, как вращались и рекристаллизовывались мелкие кристаллические зерна. Высокоэнергетическая рентгеновская дифракция, выполненная на синхротроне, позволила им картировать ориентировки кристаллических решёток до и после деформации.

Температурный переключатель в ориентации кристаллов

Эксперименты выявили чёткое температурно-зависимое переключение в том, как выстраиваются кристаллы бриджманита при деформации. При более низких температурах (ниже примерно 1800 кельвинов) кристаллы формируют сильную упорядоченную ткань: определённые кристаллографические направления выстраиваются вдоль приложенного напряжения, создавая паттерн, который даёт заметные направленные различия в скоростях волн. При более высоких температурах (примерно 1900–2100 кельвинов) кристаллы переорганизуются в другую схему ориентации, которая при горизонтальном сдвиге приводит к значительно более слабой сейсмической анизотропии — почти изотропному поведению — хотя механизм деформации по-прежнему остаётся дислокационным течением. Важно, что этот переход наблюдался как в бедных железом, так и в более железосодержащих образцах, что указывает на то, что при данных условиях главным контролирующим фактором является температура, а не химический состав.

От кристаллических тканей к сейсмическим волнам

Используя измеренные ориентировки кристаллов вместе с известными упругими свойствами бриджманита, команда рассчитала, как через эти ткани будут распространяться сейсмические P- и S-волны. Они обнаружили, что низкотемпературная ткань создаёт заметную азимутальную анизотропию: волны могут распространяться заметно быстрее вдоль направлений, связанных с течением сдвига, особенно в горизонтально сдвинутых областях, таких как под погружающимися плитами. Напротив, высокотемпературная ткань при аналогичном сдвиге даёт лишь очень тонкие различия в скорости волн, создавая почти изотропные сигнатуры. Это естественно объясняет, почему под холодными зонами субдукции наблюдается сильная сейсмическая анизотропия, тогда как окружающая, более тёплая нижняя мантия выглядит почти изотропной, без необходимости допускать полностью иной стиль деформации.

Переосмысление движения глубокой мантии

Сводя эти результаты воедино, авторы предлагают, что дислокационное течение в бриджманите может доминировать в деформации во многой части нижней мантии. В холодных областях возле зон субдукции низкотемпературная ткань даёт сильную наблюдаемую анизотропию, соответствующую многим региональным сейсмическим исследованиям. В более тёплых, глубже залегающих или удалённых областях высокотемпературная ткань делает мантию почти изотропной для сейсмических волн, хотя кристаллы по-прежнему выровнены и порода продолжает течь. Это означает, что отсутствие сильной анизотропии не обязательно свидетельствует об отсутствии кристаллической выровненности или о переходе на другой механизм течения. Вместо этого температурно контролируемое изменение микроскопического поведения бриджманита может объединить ранее противоречивые наблюдения и даёт более ясную картину того, как глубокая внутренняя часть нашей планеты движется и эволюционирует в геологическом времени.

Цитирование: Guan, L., Yamazaki, D., Tsujino, N. et al. Dislocation creep may control bridgmanite deformation in the Earth’s lower mantle. Commun Earth Environ 7, 183 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03212-9

Ключевые слова: нижняя мантия Земли, бриджманит, сейсмическая анизотропия, конвекция мантии, дислокационное течение