Simulering av villkoren 2, 700 kilometer djupt under jorden, forskare har studerat en viktig omvandling av det mest förekommande mineralet på jorden, bridgemanit. Resultaten från Extreme Conditions Beamline vid DESYs röntgenljuskälla PETRA III avslöjar hur bridgmanit förvandlas till en struktur som kallas post-perovskite, en transformation som påverkar dynamiken i jordens nedre mantel, inklusive spridning av seismiska vågor. Analysen kan ge en förklaring till en rad märkliga seismiska observationer, som teamet som leds av Sébastien Merkel från Université de Lille i Frankrike rapporterar i Journal Naturkommunikation .

Bridgmanite är ett magnesium-järnmineral ((Mg, Fe)SiO ₃ ) med en kristallstruktur som inte är stabil under omgivningsförhållanden. Den bildas cirka 660 kilometer under jordens yta, och mikrokristallina korn som hittats som inneslutningar i meteoriter är de enda prover som någonsin återfunnits på ytan. "För att studera bridgemanit under förhållandena i den nedre manteln, vi var tvungna att producera mineralet först, " förklarar Merkel. För att göra det, forskarna komprimerade små mängder järn-magnesium-kiseloxid i en diamantstädcell (DAC), en anordning som kan pressa prover med högt tryck mellan två små diamantstäd.

Den nygjorda bridgmaniten sattes sedan under ett ännu högre tryck på 1,2 megabar (cirka 1,1 miljoner gånger trycket på ytan) motsvarande det lägsta lagret av jordens mantel, precis ovanför kärnan. Här, seismiska vågor reflekteras medan de färdas genom jordens inre, och hur de reflekteras beror på egenskaperna hos materialet de möter. "Seismiska vågor beter sig ibland roligt i den regionen, ", säger Merkel. "Ibland ser man starka reflektioner, och ibland ser man ingenting alls."

Forskare har länge misstänkt att en strukturell förändring inom bridgmanit är en viktig del av förklaringen. "Vi har vetat i 15 år att bridgmanit omvandlas till en annan kristallstruktur som kallas post-perovskit under dessa förhållanden, men det vi inte visste var, hur snabbt det gör det, " förklarar Merkel. Post-perovskit består av samma kemiska grundämnen som bridgmanit, men har en annan kristallstruktur, leder till olika egenskaper.

På DESYs Extreme Conditions Beamline (P02.2) kunde forskarna nu undersöka dynamiken i transformationen. Det visade sig att det händer om cirka 10 till 10, 000 sekunder, beroende på tryck och temperatur. Detta inkluderar tidsskalan för frekvensen av seismiska vågor. "Detta betyder att seismiska vågor kan utlösa transformationen, och i sin tur kan den förstärka den seismiska signalen, " betonar Merkel. "Denna observation förklarar varför du ibland ser starka reflektioner och ibland inte. Och det kan också förklara andra anomalier."

Mantel-kärnans gräns vid ca 2, 900 kilometer under ytan är inte lika skarp som en spegelyta. Istället i en region ungefär 200 kilometer ovanför kärnan, känt som D"-lagret, stora plattor av olika material med olika strukturer rör sig. "Du kan tänka på det som en andra uppsättning plattektonik där nere, " förklarar Merkel. Dessutom, i ett gränsskikt av cirka 100 kilometer tjockt, bridgmanit och post-perovskite kan existera samtidigt, komplicerar analysen av seismiska signaler. Ju mer detaljer forskarna vet om de fysiska egenskaperna hos materialet vid gränsen, desto bättre analys kan de göra. Detta hjälper inte bara att undersöka själva gränsregionen, men också många andra regioner inuti jorden, som seismiska vågor sonderar alla lager på väg. "Ju bättre vi känner till materialegenskaperna vid gränsen mellan kärna och mantel, desto skarpare är vår syn på jordens inre, säger Merkel.