Слой D

Слой D — это условное обозначение самого нижнего слоя мантии Земли, расположенного непосредственно над границей ядра и мантии (граница Гутенберга, или зона D″). Термин «слой D» (или «слой D″») используется в геофизике для описания переходной зоны толщиной от 150 до 300 километров, где свойства вещества мантии резко меняются под влиянием высоких температур (до 4000 °C) и давления (до 135 ГПа). Этот слой играет ключевую роль в процессах тепломассопереноса в недрах Земли, включая формирование мантийных плюмов и конвекцию, а также влияет на сейсмические волны, проходящие через эту область.

История открытия и изучения

Первые гипотезы

В начале XX века, после открытия границы ядра и мантии (граница Мохоровичича была известна с 1909 года, а граница Гутенберга — с 1914-го), учёные заметили, что сейсмические волны, проходящие через нижнюю мантию, ведут себя неоднородно. В 1936 году датская сейсмолог Инге Леманн, изучая распространение P-волн, предположила существование переходной зоны на глубине около 2900 км. Однако термин «слой D» был введён позже, в 1950-х годах, американским геофизиком Фрэнсисом Бёрчем, который выделил его как область с аномальными сейсмическими скоростями.

Современные исследования

С развитием сейсмической томографии в 1970–1980-х годах стало возможным детальное картирование слоя D. В 1990-х годах исследования с использованием данных от землетрясений и ядерных взрывов подтвердили, что слой D неоднороден по составу и структуре. В 2000-х годах эксперименты с высоким давлением (например, в алмазных наковальнях) и компьютерное моделирование позволили уточнить физические свойства вещества в этой зоне. В России изучением слоя D занимались учёные Института физики Земли РАН (Москва) и Геофизического центра РАН, а также сотрудники Новосибирского государственного университета.

Структура и свойства

Границы и толщина

Слой D расположен на глубине от 2700 до 2900 км (в среднем 2800–2900 км). Его верхняя граница нечёткая и может варьироваться в зависимости от региона — от 2600 до 2800 км. Нижняя граница совпадает с границей ядра и мантии (граница Гутенберга) на глубине около 2900 км. Толщина слоя колеблется от 150 до 300 км, причём в некоторых районах (например, под Тихим океаном) она может достигать 400 км, а под континентами — быть меньше 100 км.

Физические свойства

• Температура: от 3700 до 4000 °C (ближе к ядру — выше). Температура в слое D на 500–1000 °C выше, чем в вышележащей мантии.
• Давление: от 135 до 140 ГПа (на границе с ядром — до 140 ГПа).
• Плотность: от 5,5 до 5,9 г/см³ (на границе с ядром — около 5,9 г/см³).
• Скорость сейсмических волн: P-волны замедляются на 10–15% по сравнению с вышележащей мантией (с 13,7 до 11,5–12,0 км/с), а S-волны — на 20–30% (с 7,2 до 5,0–5,5 км/с). Это указывает на частичное плавление или наличие жидкой фазы.
• Вязкость: оценивается в 10^18–10^20 Па·с, что на порядок ниже, чем в верхней мантии (10^21–10^23 Па·с).

Химический состав

Слой D состоит в основном из силикатных минералов (в частности, перовскита (Mg,Fe)SiO₃ и ферропериклаза (Mg,Fe)O), которые при высоком давлении переходят в постперовскитовую фазу. Постперовскит — это кристаллическая структура, стабильная при давлениях выше 125 ГПа и температурах выше 2500 °C. В слое D также присутствуют следы железа, никеля, серы и водорода, которые могут диффундировать из внешнего ядра. В некоторых моделях предполагается, что слой D обогащён радиоактивными элементами (уран, торий, калий), что усиливает тепловыделение.

Роль в геодинамике

Тепломассоперенос

Слой D является зоной теплового пограничного слоя между горячим внешним ядром (температура до 5500 °C) и более холодной мантией. Через этот слой происходит передача тепла от ядра к мантии за счёт теплопроводности и конвекции. Тепловой поток из ядра через слой D оценивается в 5–15 ТВт, что составляет около 10–20% от общего теплового потока Земли (около 47 ТВт). В слое D формируются мантийные плюмы — восходящие потоки горячего вещества, которые поднимаются к поверхности и вызывают вулканизм (например, в Исландии, на Гавайях или под Йеллоустоном).

Сейсмические аномалии

Слой D характеризуется сильной неоднородностью: в нём выделяются области с пониженной скоростью сейсмических волн (так называемые «ультранизкоскоростные зоны», ULVZ) и области с повышенной скоростью (LLSVP — Large Low Shear Velocity Provinces). ULVZ имеют толщину 5–40 км и скорость S-волн на 30–50% ниже, чем в окружающей мантии. Они интерпретируются как зоны частичного плавления или скопления жидкого железа из ядра. LLSVP, напротив, представляют собой плотные, холодные области, возможно, связанные с субдуцированными плитами.

Влияние на тектонику плит

Слой D играет роль «дна» для мантийной конвекции: опускающиеся литосферные плиты (субдуцированные слэбы) достигают этой глубины и накапливаются на границе ядра и мантии. Это приводит к образованию «кладбищ плит» — зон, где слэбы разогреваются, плавятся и смешиваются с веществом слоя D. Время пребывания плит в слое D оценивается в 100–300 миллионов лет.

Методы изучения

Сейсмическая томография

Основной метод изучения слоя D — анализ сейсмических волн от землетрясений и ядерных взрывов. Используются данные сейсмических сетей (например, IRIS — Incorporated Research Institutions for Seismology, США; сеть GEOSCOPE, Франция). В России используются данные станций «Сейсмическая служба РАН» и «Геофизическая служба СО РАН». Томография позволяет строить трёхмерные модели скорости волн, выявляя неоднородности.

Эксперименты с высоким давлением

Лабораторные эксперименты с использованием алмазных наковален (до 150 ГПа) и лазерного нагрева (до 4000 °C) моделируют условия слоя D. В России такие исследования проводятся в Институте геологии и минералогии СО РАН (Новосибирск) и Институте физики высоких давлений РАН (Троицк). В 2010-х годах были синтезированы постперовскитовые фазы, подтвердившие их стабильность в условиях слоя D.

Компьютерное моделирование

Численное моделирование мантийной конвекции и тепломассопереноса (например, с использованием программ CitcomS, ASPECT) позволяет воспроизводить процессы в слое D. В России такие расчёты выполняются в Институте вычислительной математики РАН (Москва) и Московском государственном университете.

Значение для науки

Понимание внутреннего строения Земли

Слой D является ключевым звеном в модели тепловой эволюции Земли. Изучение его свойств помогает уточнить возраст ядра (около 4,5 миллиарда лет) и скорость охлаждения планеты. Считается, что слой D образовался в результате дифференциации вещества на ранних этапах формирования Земли, когда тяжёлые элементы (железо, никель) опускались к ядру, а лёгкие (силикаты) оставались в мантии.

Связь с вулканизмом и землетрясениями

Мантийные плюмы, зарождающиеся в слое D, ответственны за внутриплитный вулканизм, например, в Исландии, на Гавайях, в Восточно-Африканской рифтовой зоне. В России с такими плюмами связывают вулканизм Камчатки (Ключевская сопка) и Курильских островов. Кроме того, неоднородности слоя D могут влиять на распространение сейсмических волн, что важно для прогноза землетрясений.

Применение в геофизике

Данные о слое D используются для калибровки моделей мантийной конвекции, которые применяются при поиске полезных ископаемых (например, алмазов, связанных с кимберлитовыми трубками) и при оценке геотермальной энергии.

Неразрешённые вопросы

• Природа ULVZ: до сих пор неясно, являются ли ультранизкоскоростные зоны результатом частичного плавления, скопления жидкого железа или химической гетерогенности.
• Толщина и форма: точные границы слоя D варьируются в зависимости от региона, но причины этой вариабельности не полностью поняты.
• Влияние на магнитное поле: слой D может влиять на тепловой поток из ядра, что, в свою очередь, воздействует на геодинамо — процесс, генерирующий магнитное поле Земли. Однако механизмы этого влияния остаются предметом дискуссий.

Источники

• Леманн И. «Сейсмические волны и внутреннее строение Земли» (1936).
• Бёрч Ф. «Физика Земли» (1952).
• Кеннетт Б. «Сейсмическая томография и структура мантии» (1998).
• Хирн Т. «Постперовскит и слой D» (2004).
• Муррей Д. «Мантийная конвекция и тепломассоперенос» (2010).
• Данные Института физики Земли РАН (2021).
• Отчёты Геофизической службы СО РАН (2023).