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

Зона спинового перехода в нижней мантии показана на врезке: справа (красный цвет) — высокоспиновое железо, слева (синий) — низкоспиновое. (Рис. Gyorgy Vanko и Steve Jacobsen с сайта www.llnl.gov)

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.

Оболочки «твердой» Земли вместе с переходными слоями

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.)

Внутреннее строение Земли, установленное по геофизическим данным об изменении давления с глубиной (100 ГПа = 1 Мбар = 1 000 000 атмосфер). Рис. из энциклопедии «Кругосвет»

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.

Источник: Jung-Fu Lin et al. Spin Transition Zone in Earth's Lower Mantle // Science. 2007. V. 317. P. 1740–1743.

См. также:
1) Researchers locate mantle's spin transition zone, leading to clues about earth’s structure — пресс-релиз Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, 20.09.2007.
2) Experiments challenge models about the deep Earth — пресс-релиз Института Карнеги, 20.09.2007.
3) Д. Ю. Пущаровский, Ю. М. Пущаровский. Состав и строение мантии Земли (Pdf, 310 Кб) // Соросовский образовательный журнал, № 11, 1998, с. 111-119.
4) Геофизика (статья из энциклопедии «Кругосвет»).
5) Earth's Interior — страничка о методах исследования внутренностей Земли.

Дарья Баранова

Последние новости: Геофизика, Дарья Баранова

10 мая Подтверждено наличие у Меркурия жидкого ядра

1 февраля Недавно открытый минерал определяет сейсмические особенности земной мантии

30 января Горы могут всплывать, как поплавки

17 декабря Японцы готовятся просверлить земную кору насквозь

24 июня Ядро Земли гораздо легче, чем предполагалось

26 марта Через 50 млн лет на месте Японского моря вырастут горы

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):