Химический состав некоторых вулканических пород позволяет проследить процессы, происходящие на огромном расстоянии от поверхности — вплоть до района, где мантия соприкасается с ядром примерно в 2900 км под нами. Добраться туда бурением невозможно: даже Кольская сверхглубокая скважина остановилась на отметке 12,3 км, не пройдя земную кору, сообщает Earth.com.
Мантия занимает около 84 % объема планеты, однако взять из нее образец непосредственно на месте ученым пока не удалось. Представление об этой части Земли складывается благодаря сейсмическим данным, экспериментам при высоком давлении и веществу, которое магма переносит наверх. Вместе с расплавом к поверхности могут попадать выросшие на глубине кристаллы, газы и фрагменты мантийных пород — ксенолиты.
Один из важных геохимических ориентиров — соотношение изотопов гелия. В отдельных образцах из районов Гавайев и Исландии отношение гелия-3 к гелию-4 приближается к 50 атмосферным значениям. Такое содержание гелия-3 связывают с глубинными резервуарами, которые сохранили часть первичного вещества Земли и не успели полностью потерять содержащиеся в нем газы.
Еще один аргумент появился после изучения изотопов рутения и вольфрама в гавайских базальтах и пикритах. Их сочетание лучше всего объясняет модель, допускающая поступление небольшого количества вещества из ядра. Расчеты показывают, что его доля могла составлять менее 0,25%. При этом ученые подчеркивают, что вопрос еще не закрыт: существуют альтернативные объяснения наблюдаемых изотопных особенностей. Предполагаемый путь вещества от нижней границы мантии до поверхности может занимать от 500 млн до 1 млрд лет.
Дополнительные сведения о химии глубин дают алмазы. В двух образцах из шахты Вурспоэд в Южной Африке исследователи обнаружили металлические включения никеля и железа, а также богатые никелем карбонаты. По оценкам, минералы сформировались на глубине около 280–470 км. Такая комбинация согласуется с моделями, описывающими окислительно-восстановительные процессы в глубокой части верхней мантии.
Наблюдать за происходящим под поверхностью позволяют не только сами породы. Вулканические и другие магматически активные районы Земли ежегодно выпускают в атмосферу примерно 280–360 млн тонн CO₂. Для сравнения, деятельность человека дает около 40 млрд тонн в год — более чем в сто раз больше. Сейсмические исследования Каскадных гор также выявили зоны частичного расплава на глубине примерно 5–15 км под несколькими внешне спокойными вулканами. Наличие такого вещества само по себе не означает приближения извержения.
Еще один пример взаимодействия глубинных и поверхностных процессов обнаружен в Восточной Африке. Химические различия между лавами Эфиопии указывают на то, что горячее вещество мантии может подниматься отдельными импульсами. Их распространение зависит от толщины расположенных выше тектонических плит и от скорости их растяжения.
Как именно материал может переходить через границу ядра и мантии, пока окончательно не установлено. Тем не менее вулканические породы остаются одним из немногих способов получить реальные фрагменты вещества, связанного с глубинными областями планеты, и сопоставить их с данными сейсмологии и лабораторных экспериментов.
