Пушкой по камням. Новосибирские журналисты стали свидетелями уникального эксперимента.

Когда-то Камчатский полуостров был плоской равниной, но в плейстоцене произошел взрыв, благодаря которому образовались вулканы, ныне занимающие 40% этой территории. А около 4 тысяч лет назад лавы двух мощных извержений вынесли на поверхность массу обломков глубинных пород — ксенолитов, изучение которых позволяет получить информацию о процессах, происходящих в недрах Земли.

Лабораторный эксперимент, наблюдать за которым пригласили журналистов, мог состояться только в Сибирском отделении РАН. Именно здесь ученые разных специальностей объединили усилия, чтобы изучить процессы, лежащие в основе и образования месторождений, и сейсмической активности, и даже позволяющие подтвердить или опровергнуть ту или иную теорию происхождения Земли. Сотрудники Института геологии и минералогии (ИГМ) СО РАН собрали близ Авачинской сопки богатейшую коллекцию ксенолитов — более 600 образцов, механики из Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН помогли теоретически описать процессы плавления минералов, происходящие в глубине земной мантии, и построить математическую модель. Образцы ксенолитов давно изучаются во всем мире, развернулась полемика о том, каким образом появляются структура и особенности минералов мантийных пород.

— С глубины 70-40 км на поверхность Земли выносятся кристаллические обломки пород, в которых есть открытые полости, в них растут и растворяются кристаллы, — комментирует доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник ИГМ СО РАН, профессор кафедры геологии рудных месторождений геолого-геофизического факультета НГУ Виктор Шарапов. — Почему так происходит? Согласно теории Д.Кожинского, из глубин верхней мантии к земной поверхности движутся не только потоки тепла, но и потоки жидких и газообразных флюидов. В результате в сейсмически активных горизонтах литосферы Земли одни элементы замещаются другими, и первоначальная картина распределения минералов изменяется: идет растворение минералов флюидами и отложение растворенных веществ. 

Для проверки теории процессы, происходящие в земных глубинах, решено было повторить в лабораторных условиях. Первая попытка не удалась.

— Наш образец буквально размазало по стенкам плазмотрона в ИТПМ — такой там был “плевок энергии”, — вспоминает Виктор Николаевич. — Стало ясно, что необходимо направленное, локальное воздействие. 

И здесь на помощь пришли сотрудники Института ядерной физики (ИЯФ), предоставив для эксперимента уникальную установку для электронно-лучевых технологий — своего рода электронную пушку.

— Наша установка формирует сфокусированный пучок электронов, — объясняет научный сотрудник ИЯФ СО РАН Юрий Семенов. — Для электронов с энергией 60 кэВ можно создать плотность потока мощности порядка 10 МВт/см2 при диаметре пучка около 

1 мм. Чтобы снизить прямое попадание паров и капель обрабатываемых материалов на катод и высоковольтные элементы, в нашей установке электронный пучок совершает поворот на 270 градусов, что существенно повышает надежность и ресурс источника электронов.

Для облучения ксенолитов был выбран режим плавления, при котором пучок электронов диаметром 3-4 сантиметра воздействует на объект в течение 45 минут. Температура плавления на поверхности составляла примерно 2500 градусов. 

— На поверхность образца в вакууме подается очень интенсивный тепловой поток, развивается процесс плавления. Граница плавления медленно опускается внутрь, — раскрывает суть происходящего Виктор Шарапов, — а на поверхности кипит расплав, так же как лава кипит на вулкане, только температура в установке примерно в два раза выше, чем в лаве самого горячего Гавайского вулкана.

Надо отметить, что теоретические выкладки и математические расчеты сотрудников ИГМ и ИТПМ полностью подтвердились экспериментально, но, как это водится в науке, в процессе плавления образцов ксенолита возникли новые загадки. Так, оказалось, что после отключения установки жидкость, возникшая в месте расплава, мгновенно кристаллизуется. Как и почему это происходит — пока не понятно.

Но самое интересное, что эксперимент дал почву для создания новой теории, теперь уже физикам. Неожиданно выяснилось, что структура, образующаяся в ксенолите в процессе плавления, очень напоминает структуру… осколков болида — метеорита, взорвавшегося в феврале 2013 года над Челябинском и затонувшего в озере Чебаркуль. Следовательно, можно предположить, что в мантии Земли на глубине 50 с лишним километров и при вхождении метеорита в атмосферу на высоте 20 километров происходят похожие процессы. Сейчас директор ИЯФ академик Павел Логачев и его коллеги строят теоретическую модель для их описания.