Зона спинового перехода в нижней мантии заставляет по-новому взглянуть на внутренности Земли

Международная группа геофизиков экспериментально показала, что в условиях, характерных для нижней мантии Земли, в минерале ферропериклазе (Mg_0,75,Fe_0,25)O происходит постепенная переориентация ионов железа с высокоспиновых на низкоспиновые. Давление и температура этого спинового перехода соответствуют глубине от 1000 до 2200 км. Наличие переходной зоны заставляет пересмотреть методы интерпретации геофизических данных по прохождению сейсмических волн через глубинную мантию, а также внести изменения в будущие модели.

Значительная часть данных о внутреннем строении Земли получена путем регистрации скорости распространения продольных и поперечных сейсмических волн, которая зависит от упругости и плотности среды. Так, в 1909 году хорватский геофизик Андрей Мохоровичич установил, что скорость распространения продольных сейсмических волн резко увеличивается на глубине около 35 км под материками и 5–10 км под океаническим дном. Этот рубеж соответствует границе между земной корой и мантией и называется поверхностью Мохоровичича.

Достаточно четко определяется и граница мантии и ядра — она известна как слой Гутенберга. В этой зоне продольные волны замедляются, а поперечные вообще не распространяются. Это говорит о том, что внешнее ядро ведет себя как жидкость, поскольку поперечные волны не способны распространяться в жидкой среде. Внутреннее ядро считается твердым, так как скорость распространения сейсмических волн в нем вновь резко возрастает.

Мантия занимает около 83% земного объема и около 67% массы. Верхняя граница мантии проходит по поверхности Мохоровичича, а нижняя — на границе с ядром на глубине около 2900 км. Мантия в свою очередь тоже подразделяется на верхнюю (глубиной до 670 км) и нижнюю (от 670 до 2900 км). Давление в нижней мантии варьирует от 22 до 140 ГПа (от 220 тыс. до 1,4 млн атмосфер), температура — от 1800 до 4000 К.

Нижняя мантия недоступна прямому наблюдению: длина самой глубокой скважины в мире, пробуренной на Кольском полуострове, пока составляет «всего лишь» 12 км 262 м. Отчасти данные о минералогическом составе нижней мантии можно получить по мантийным расплавам, фрагментам мантийных пород, выносимых мантийными расплавами на поверхность (например, алмазам), а также мантийным породам в составе земной коры (которые, впрочем, скорее всего обладают иными свойствами, чем глубинные породы).

Основная же часть данных о нижней мантии получена косвенным путем — с помощью вычислений или лабораторных экспериментов. Для понимания процессов, происходящих в глубине Земли, необходимо знать зависимости скоростей распространения продольных и поперечных волн, модуля упругости, плотности, коэффициента термического расширения, удельной теплоемкости, температуры плавления, вязкости, электро- и теплопроводности горных пород — от давления. Поэтому горные породы исследуются при высоких давлениях в лаборатории (под действием ударного сжатия или в специальных камера высокого давления с алмазными наковальнями — diamond anvil cell) и на основании их свойств интерпретируются данные о скоростях распространения сейсмических волн и распределении плотности вещества в недрах Земли. Экспериментальные методы включают также ультразвуковые измерения скорости как функции давления. (Подробнее об исследованиях внутреннего строения Земли см. в статье Геофизика.)

Считается, что по своему составу нижняя мантия в основном представлена минералами, содержащими кислород, кремний, магний и железо, и в значительно меньших количествах — кальций, алюминий, натрий, калий. Около 70% объема нижней мантии, или 40% объема всей Земли, составляют перовскиты (Mg, Fe)SiO₃, около 20% — магнезиовюститы (Mg, Fe)O.

Свойства железосодержащих минералов в нижней мантии зависят от электронного состояния атомов железа. Дело в том, что ион железа Fe²⁺ (а железо в минеральных солях присутствует в виде ионов) имеет четыре неспаренных электрона, каждый со спином 1/2. Эти электроны могут спариваться либо в полный спин 2 (высокоспиновое состояние), либо в полный спин 0 (низкоспиновое). При обычных давлениях у Fe²⁺ энергетически выгоден полный спин 2. Однако при значительном повышении давления, когда можно говорить уже об уменьшении размеров тел, начинает сказываться влияние соседних атомов. В этом случае электронам в Fe²⁺ уже энергетически выгодно изменить спаривание на низкоспиновое, поскольку они при этом чуть более компактно «сидят» внутри иона.

Геофизики-теоретики уже давно предсказывали, что в условиях нижней мантии у железосодержащих минералов может существовать широкая зона спинового перехода — когда одновременно существует высокоспиновое и низкоспиновое железо. Международной команде ученых из научных учреждений США, Венгрии и Франции во главе с Цзюн-Фу Линем (Jung-Fu Lin) из Группы физики высоких давлений Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (Калифорния, США) удалось экспериментально (в лаборатории) подтвердить теоретические расчеты на примере представителя магнезиовюститов — минерала ферропериклаза (Mg_0,75,Fe_0,25)O.

Зажав кристалл ферропериклаза между алмазными наковальнями, они постепенно повышали давление, а также нагревали камеру с помощью лазера, моделируя условия на разных глубинах нижней мантии. Анализ спектров излучения раскаленного и спрессованного минерала методом эмиссионной рентгеновской спектроскопии показал, что при давлении 95 гигапаскалей и температуре 2000 К электроны в ионах железа Fe²⁺ действительно переориентировались. Однако на фазовой диаграмме спиновый переход не был локализован в узкой области, как это обычно бывает для фазовых переходов. При давлениях и температурах, соответствующих глубине от 1000 до 2200 км в нижней мантии, высокоспиновое железо постепенно переходило в низкоспиновое (глубже 2200 км должен существовать уже только низкоспиновый ферропериклаз). Этот эксперимент позволил локализовать зону спинового перехода, предсказанную теоретиками, глубиной от 1000 до 2200 км. И хотя этот диапазон достаточно широкий, он оказался всё же уже предсказанного.

Наличие широкой зоны спинового перехода очень важно для дальнейшей интерпретации сейсмических данных. Ведь при переходе в низкоспиновое состояние ион железа заметно уменьшается в объеме, и значит минерал с низкоспиновым железом плотнее, чем с высокоспиновым. Если бы переход был резким, это означало бы, что в нижней мантии есть резкая граница плотности, от которой должны отражаться сейсмические волны. Но раз резкой границы нет, значит отражаться не от чего, и должно быть только плавное преломление волн.

В результате спинового перехода может изменяться не только плотность, но и эластичность, электропроводность, теплопроводность и другие характеристики минерала, что крайне важно знать для будущего моделирования состава нижней мантии и протекающих в ней процессов.

Теперь геофизики рассчитывают изучить свойства других оксидов и силикатов (прежде всего перовскита) вокруг зоны спинового перехода, а также провести сейсмические и геодинамические исследования, чтобы лучше понять свойства минералов в переходной зоне.

Похожие статьи: