Forskare har nu en tydligare bild av jordens mantel, tack vare Michigan State University forskning publicerad i det aktuella numret av Naturkommunikation .

Den största utmaningen med att studera planetens mitt, Det största lagret - inklämt mellan dess järnkärna och den tunna ytan som är värd för dess levande varelser - är att den inte kan ses. Det är jämförbart med en patient som får en CAT-skanning, och att läkaren kan se mörka och ljusa fläckar som tyder på frisk vävnad och tumörer.

Istället för en CAT-skanning, dock, geologer använder seismografer. Men eftersom de inte kan dyka ner för att utforska vad "fläckarna" faktiskt betyder, de måste dechiffrera vad skillnaden i vågfrekvenser säger dem.

"Vi tittar på en bild av manteln men vi vet inte vad färgerna betyder, sa Susannah Dorfman, MSU geovetare och studiens medförfattare. "De seismiska vågmönstren visar kontraster som indikerar olika squishiness och olika densiteter; vårt jobb är att ta reda på vad som finns där nere och varför."

Forskare tror att manteln är som en marmorkaka, blandas ihop genom att virvla ihop bitar av havsbotten och ursten. Som choklad- och vaniljkakan, olika delar av manteln har olika sammansättning.

Dorfman liknar hennes labb och analysen som hennes team gör med kockar i ett testkök. Huvudingrediensen på denna meny, fastän, är bridgmanit - jordens mest förekommande mineral. Detta mineral beräknas utgöra mer än 50 procent av jorden. Medan den är allestädes närvarande i manteln, bridgmanit är ganska sällsynt på ytan.

Hur sällsynt? Dess existens har teoretiserats och tillverkats i labb sedan 70-talet. Men det var inte förrän 2014 som en fläck av naturlig bridgmanit hittades i en meteorit, dess kristallstruktur kartlagd och officiellt döpt.

I kökslabbet, teamet kokade upp ett prov av det sällsynta mineralet. Med hjälp av en tryckcell av diamantstäd och laseruppvärmning - för att duplicera mantelns ofattbara tryck och värme - testade de sitt recept av bridgmanit med en nypa järn. Denna kombination är ganska tät och oxiderad. (Järnjärn kan hittas i rost.)

"Minsta tryck du behöver för att göra bridgmanit i manteln - en kvarts miljon atmosfärer - är som en elefants vikt balanserad på ett vallmofrö, sa Dorfman.

Laget, leds av Jiachao Liu, tidigare med MSU nu med University of Texas i Austin, ändrade också bridgmanites sammansättning, byta ut magnesium- och kiselatomer mot järn 3+-atomer.

"Det förändrade strukturen och hur det fungerar, " sa Dorfman. "Det finns en förändring i järnatomen som kallas en spinövergång, där atomen krymper och blir tätare på grund av det intensiva trycket. Detta kan potentiellt duplicera vad som händer djupt inne i manteln."

Dessa labbkokta recept ger en modell och några insikter i de mineraler som potentiellt utgör manteln. Det som Dorfmans team lagade är inte en exakt kopia av mantelmineralerna, men slutresultatet gav de tydligaste mätningarna av densiteten, kompressibilitet och elektronisk ledningsförmåga hos rostig bridgemanit i den nedre manteln.

Medan Dorfman och andra forskare kanske aldrig ser prover från mantelkärnan i första hand, observationerna och mätningarna från labbet kommer att hjälpa forskarna att tolka vad seismiska vågor kan berätta för dem.

Denna studie kommer att hjälpa forskare att använda geofysiska mätningar för att exakt kartlägga mängden järn i manteln, men teamet fastställde också att det kommer att vara svårt att se hur oxiderat det är. Dorfman är fortfarande optimistisk att denna forskningslinje kommer att avslöja några av mantelns mysterier.

"Den djupa manteln är en konstig plats med mystiska egenskaper som kan vara rester av jordens formation, kyrkogårdar för högar av sjunkna tektoniska plattor, källor för hotspot-vulkaner som Hawaii eller processerna som formade atmosfären, ", sa Dorfman. "Allt vi kan upptäcka om sammansättningen av funktioner vid basen av manteln kan hjälpa oss att lösa dessa mysterier."

Forskare från University of Michigan, Center for High Pressure Science and Technology Research (Kina), University of Hawaii, Argonne National Laboratory och University of Illinois var också en del av denna forskning.