Среди этих трех основных минералов два минерала бриджманит и давемаоит имеют кристаллическую структуру типа перовскита. Эта структура также широко известна в физике, химии и материаловедении, поскольку некоторые материалы со структурой типа перовскита показали сверхпроводимость.
На небольших глубинах минералы с похожей кристаллической структурой часто сливаются и становятся отдельными минералами, как правило, в условиях высокой температуры.
Однако, несмотря на структурное сходство, существующие исследования показали, что давемаоит, богатый кальцием, и бриджманит, богатый магнием, остаются отдельными в нижней мантии.
«Почему давемаоит и бриджманит не сливаются в одно целое, несмотря на то, что у них очень похожие структуры атомарного масштаба?» Санг-Хеон Дан Шим, соавтор исследования. Природа бумаги», — говорится в сообщении СМИ. «Было предпринято множество попыток найти условия, при которых сливаются эти два минерала, но результаты экспериментов постоянно давали два отдельных минерала. Здесь мы почувствовали, что нам нужны новые свежие идеи для экспериментов».
Новый эксперимент дал исследовательской группе возможность попробовать различные методы нагрева для сравнения методов.
Вместо медленного повышения температуры в обычных экспериментах с высоким давлением они очень быстро повысили температуру до высокой температуры, связанной с нижней мантией, достигнув 3000–3500 F в течение секунды. Причина этого заключалась в том, что после образования двух минералов со структурой перовскита им становится очень трудно слиться, даже если они попадают в температурные условия, при которых один минерал перовскита должен быть стабильным.
Быстро нагревая образцы до заданной температуры, Шим и его соавтор Бёнкван Ко смогли избежать образования двух минералов со структурой перовскита при низких температурах. Достигнув температуры нижней мантии, они в течение 15–30 минут следили за образованием минералов с помощью рентгеновских лучей. Они обнаружили, что образуются только единичные минералы перовскита, неожиданные для предыдущих экспериментов. Они также заметили, что при достаточно высоких температурах, превышающих 3500 F, давемаоит и бриджманит становятся единым минералом в структуре типа перовскита.
«Считалось, что большая разница в размерах между кальцием и магнием, основными катионами давемаоита и бриджманита, соответственно, должна препятствовать слиянию этих двух минералов», — сказал Ко. «Но наше исследование показывает, что они могут преодолеть такую разницу в жарких условиях».
Эксперименты показывают, что более глубокая нижняя мантия с достаточно высокой температурой должна иметь минералогический состав, отличный от более мелководной нижней мантии. Поскольку мантия была намного теплее на ранней Земле, новые результаты группы показывают, что большая часть нижней мантии тогда содержала один минерал со структурой перовскита, что означает, что минералогия отличалась от современной нижней мантии.
Это новое наблюдение оказало большое влияние на наше понимание недр Земли. Многие сейсмические наблюдения показали, что свойства более глубокой нижней мантии отличаются от свойств более мелкой нижней мантии. Сообщается, что изменения будут постепенными. В экспериментах исследовательской группы показано, что слияние бриджманита и давемаоита происходит постепенно.
Кроме того, свойства породы с тремя основными минералами, бриджманитом, ферропериклазом и давемаоитом, плохо согласуются со свойствами более глубокой нижней мантии. Ко и его коллеги предсказывают, что эти нерешенные проблемы могут быть объяснены слиянием бриджманита и давемаоита с образованием нового единого минерала со структурой перовскита.
