Zespół naukowców z Uniwersytetu Michigan ujawnił, że w głębi Ziemi, na głębokości 2900 kilometrów, istnieją warunki do powstania nieznanej wcześniej substancji mineralnej. Jak wynika z badań opublikowanych w czasopiśmie Nature, niezwykle wysokie ciśnienia i temperatury przyczyniają się do powstawania bogatego w wapń brydgmanitu, który zmienia sposób, w jaki patrzymy na mineralogię dolnego płaszcza Ziemi.

Uważa się, że dolny płaszcz Ziemi składa się z trzech głównych faz mineralnych: ferroperyklazy (Mg,Fe)O i dwóch perowskitów – brydgmanitu (Mg,Fe)(Al,Si)O3 i davemaoit (CaTiO3). Perowskity to struktury mineralne o wzorze ABX3, o których wiadomo, że mają niezwykłe właściwości, w tym nadprzewodnictwo. Na dużych głębokościach, w warunkach wysokiej temperatury, minerały o podobnej strukturze krystalicznej łączą się, tworząc nowe minerały. Chociaż wykazano, że davemaoit jest nieobecny w środowiskach o wysokich temperaturach i ciśnieniach typowych dla dolnego płaszcza, nie można go całkowicie rozpuścić w brydgmanicie zawierającym magnez i krzem.

Naukowcy podejrzewali, że w określonych warunkach davemaoit może całkowicie połączyć się z brydgmanitem, tworząc pojedynczą fazę perowskitu w dolnym płaszczu. Podjęto wiele prób znalezienia tych warunków, ale wyniki eksperymentów zawsze dawały dwie fazy perowskitu. W ramach nowej pracy naukowcy zbadali rozpuszczalność CaTiO3 w brydgmanicie zawierającym żelazo i aluminium.

Temperatura próbek została gwałtownie podniesiona do 1800-3000 kelwinów przy ciśnieniu 33-110 gigapaskali. W tym celu wykorzystano ogniwa z kowadłami diamentowymi i nagrzewaniem laserowym, a przemiany minerałów monitorowano metodą dyfrakcji rentgenowskiej w źródle promieniowania synchrotronowego Advanced Photon Source w Argonne National Laboratory.

Wykazano, że rozpuszczalność wapnia w brydgmanicie gwałtownie wzrasta w temperaturze około 2300 Kelvinów i powyżej 40 GPa do poziomu wystarczającego do całkowitego rozpuszczenia całego CaSiO3. Prowadzi to do zaniku perowskitu CaSiO3 na głębokościach większych niż 1800 kilometrów i pojawienia się wzbogaconego w wapń brydgmaitu. Żelazo odgrywa kluczową rolę w tym procesie w brydgmanicie, zwiększając rozpuszczalność wapnia.

Zatem głębszy dolny płaszcz o wystarczająco wysokiej temperaturze powinien mieć inny skład mineralogiczny niż płytszy dolny płaszcz. Ponieważ wnętrze wczesnej Ziemi było znacznie cieplejsze, większość dolnego płaszcza zawierała pojedynczą fazę perowskitu, a jej mineralogia znacznie różniła się od dzisiejszej. Jednak nie wiadomo jeszcze, czy mogło to wpłynąć na ważne globalne procesy, takie jak tektonika płyt lub Wielkie Wydarzenie tlenowe 2,45 miliarda lat temu.