ПОД ДАВЛЕНИЕМ МАГМА ТЕЧЁТ ЛЕГЧЕ — НО СКАПЛИВАЕТСЯ ОНА НЕ ПОЭТОМУ

Тектонические плиты Земли скользят по астеносфере — необычно мягкому слою верхней мантии. Давно существует идея, что её размягчают небольшие количества расплавленной породы — базальтовой магмы. Насколько легко этот расплав перемещается на глубине, зависит от его вязкости. И здесь один странный результат расколол геологов.

Почти любой материал при сжатии становится жёстче. Однако эксперименты при высоком давлении, в частности Сакамаки и коллег в 2013 году, показали, что расплавленный базальт под давлением становится менее вязким — вплоть до минимума на глубинах примерно от 90 до 150 километров, — а затем снова густеет. Этой идеей объясняли движение магмы, сейсмические аномалии в мантии и слоистую химию. В 2025 году Рассел и коллеги возразили, что минимум — экспериментальный артефакт, вызванный плохо контролируемой температурой: после поправки, утверждали они, вязкость просто растёт с давлением.

Почему экспериментам трудно

При таких давлениях температуру и давление трудно разделить. Термометры в прессах высокого давления дают погрешность в 50–100 кельвинов и больше, а классическому методу — засекать время падения крошечного шарика сквозь расплав — мешают стенки миллиметровых капсул. Искомый эффект тонок; шум — нет.

Миллиарды атомных шагов

Хункунь Цзэн, Лян Юань и их коллеги из Китайского геологического университета в Ухане, Байройтского университета и Сычуаньского университета обратились к моделированию. Они смоделировали упрощённый базальт (смесь минералов диопсида и анортита) атом за атомом, причём силы рассчитывались методами квантовой механики и воспроизводились нейросетью — это позволяет моделированию идти в 1000 с лишним раз дольше, чем стандартным квантовым методам.

Ключом стала статистика. Для каждой пары давления и температуры они провели от 150 до 600 независимых расчётов по 5 наносекунд, в сумме не менее 7,5 микросекунды на траекторию, — предварительно убедившись, что их метод воспроизводит измеренные плотности реальных минералов с точностью до 1%. Это снизило погрешность вязкости до 1–3% против 50% в прежних работах.

Пологая буква U

При постоянной температуре 2073 кельвина вязкость описывает пологую U-образную кривую: 0,108 паскаль-секунды при нулевом давлении, минимум 0,088 при 3 гигапаскалях, затем 0,104 при 6 гигапаскалях — провал примерно на 19%.

Вдоль кривой плавления, как в экспериментах, вязкость, напротив, падает примерно в 23 раза между 0 и 6 гигапаскалями — но это в основном следствие роста температуры. При нулевом давлении охлаждение с 2073 до 1619 кельвинов увеличивает вязкость примерно в 18 раз. Типичная экспериментальная ошибка в 100 кельвинов, таким образом, сдвигает вязкость более чем в двадцать раз сильнее, чем глубина этой буквы U. Неудивительно, что её было трудно заметить.

Причина кроется в атомной структуре. Кремний в основном остаётся заперт в жёстких группах из четырёх атомов кислорода. Алюминий, напротив, под давлением сильно перестраивается — доля его групп из пяти атомов кислорода растёт примерно с 20% до 50% — и эти редкие, быстро меняющиеся алюминиевые позиции соответствуют времени релаксации расплава. Именно они, а не кремниевый каркас, задают темп течения.

Тепло, а не провал

Затем команда смоделировала, как расплав просачивается вверх сквозь мантию. Его подвижность растёт с глубиной, достигает максимума около 150 километров и падает по мере того, как расплав поднимается и остывает, поэтому магма склонна задерживаться и скапливаться прямо под жёсткой плитой — что согласуется с сейсмическими и электрическими признаками обогащённого расплавом слоя на глубине 45–70 километров.

Но авторы подчёркивают нюанс, который их собственная аннотация преуменьшает: этот максимум подвижности возникает из конкуренции давления и температуры вдоль температурного профиля Земли, а не из минимума при 3 гигапаскалях. Минимум вязкости реален, заключают они, но «ни необходим, ни достаточен» для объяснения скопления расплава: с этим справляется одна температура. Их базальт упрощён — без железа, без натрия, а единственный летучий компонент — вода, — и положение минимума зависит от состава.