Породи земної мантії можуть мати магнітні властивості

Ріс. 1. Змінений (окислений) перидотит, що містить як продукт окислення велику кількість гематиту (оранжево-бурого кольору). Фото з сайту sandatlas.org

До останнього часу вважалося, що мантія, на відміну від земного ядра і земної кори, не бере участь у формуванні геомагнітного поля, оскільки механізм магнітного динамо в ній діяти не може у зв’язку з відсутністю металів в рідкому стані, а ферромагнітні мінерали в мантійних умовах втрачають свої магнітні властивості. Результати недавніх експериментальних досліджень показали, що ферромагнітний мінерал гематит, присутній у складі літосферних плит, що занурюються в мантію, може зберігати свої магнітні властивості аж до глибин перехідної зони мантії (410-660 км). А значить, принаймні верхня мантія може мати певні магнітні властивості, і її вплив також треба враховувати при інтерпретації магнітних спостережень.

Магнітне поле нашої планети, за нинішніми уявленнями, в основному породжується електричними струмами, що виникають через конвекції рідких металів зовнішнього ядра, — це так зване головне магнітне поле Землі. За своєю конфігурацією воно близько до поля магнітного діполя, тобто має такий вигляд, ніби земна куля — це смуговий магніт, вісь якого спрямована приблизно з півночі на південь. Поблизу поверхні силові лінії поля Землі можуть відхилятися від ліній ідеального діполю через місцеві магнітні аномалії, які виникають через наявність у земній корі ферромагнітних мінералів (ферромагнетиків).

Ферромагнетики здатні посилювати магнітне поле, в якому вони знаходяться, а також зберігати залишкову намагніченість навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля. Однак для кожного ферромагнетика є критична температура — точка Кюрі, вище якої він втрачає свої ферромагнітні властивості. Рекордсмен — кобальт з точкою Кюрі 1388 K. Біля оксидів заліза при атмосферному тиску точка Кюрі знаходиться близько 858 K. Так як температура верхньої мантії досить швидко досягає 1000 K і продовжує рости з глибиною, довгий час геофізики вважали, що в мантії ферромагнітних мінералів бути не може, а значить, вона не бере участі у формуванні геомагнітного поля (адже рідких металів в ній теж немає).

Надійно підтвердити або спростувати цю думку було досить складно, так як тиск також впливає на температуру магнітних фазових переходів ферромагнетиків, а відтворити одночасно мантійні параметри температури і тиску в лабораторних умовах — та ще при цьому паралельно фіксувати зміни магнітного стану матеріалу — до останнього часу технічно не представлялося можливим.

Незважаючи на те, що багато геофізиків схилялися до прийняття гіпотези про магнітну інертність мантії, ряд фактів свідчить про те, що породи мантії все-таки володіють магнітними властивостями і впливають на загальну картину магнітного поля Землі. Зокрема, багато аномалій геомагнітного поля, виявлені в результаті аеромагнітних спостережень і спостережень за магнітним полем Землі з космосу, складно пояснити магнітними властивостями одних тільки порід кори. Певні ферромагнітні властивості виявляються і у мантійних ксенолітів — фрагментів глибинних порід, винесених на поверхню магматичними розплавами. Для остаточного дозволу цієї геофізичної дилеми необхідно було зрозуміти, який з ферромагнітних мінералів може зберігати свої магнітні властивості при високих температурах і тисках (РТ-умови), властивих мантії, і яка генеза цього мінералу.

Міжнародна група дослідників з Німеччини, Франції та США, що вивчала свого часу структурні особливості оксиду заліза Fe₂O₃ при різних тисках і температурах (E. Bykova et al., 2016. Structural complexity of simple Fe₂O₃ at high pressures and temperatures), припустила тоді, що єдиним потенційним джерелом магнітних аномалій на мантійних глибинах може бути один з поліморфних різновидів оксиду заліза (III), оскільки ці сполуки мають досить високі значення критичних температур.

У поверхневих умовах оксид заліза (III) представлений у формі гематиту (_^-Fe2O3). Цей мінерал широко поширений як у континентальних гірських породах, так і в породах океанічної кори. При поверхневій зміні базальтів, складових верхній (не рахуючи осадового) шар океанічної кори, а також при серпентинізації (окисленні) плутонічних порід основного і ультраосновного складу, що утворюють основу океанічної кори (її нижній шар), вивільнене залізо спочатку зв’язується в магнетиті (Fe₃O₄), який при подальшому окисленні переходить у гематит 1. У складі океанічних плит, що занурюються в зонах субдукції, гематит потрапляє в мантію.

У новому дослідженні вчені з тієї ж наукової групи (у дещо зміненому складі) під керівництвом Іллі Купенко (Ilya Kupenko) з Мюнстерського університету (Німеччина) експериментально довела, що гематит може зберігати свої магнітні властивості навіть у глибинах земної мантії. Результати дослідження нещодавно опубліковані в журналі Nature.

Використовуючи так звану комірку з алмазними ковадлами, вчені стискали мікрометричні зразки штучно синтезованого α-Fe₂O₃ до тиску 90 ГПа (що приблизно відповідає глибинам 2000 км) і нагрівали їх за допомогою лазерів до температури 1300 K. Одночасно за допомогою месбауерівської спектроскопії вимірювалися магнітні властивості речовини. Дослідження проводилося на синхротроні ESRF у Греноблі (Франція). Загальна схема експерименту наведена на рис. 2.

Ріс. 2. Загальна схема експерименту. Праворуч — комірка з магнітними ковадлами і лазерні установки, що нагрівають зразки α-Fe₂O₃. Ліворуч — схема магнітного поля Землі і положення ділянки в мантії, РТ-умови якої були відтворені в результаті експерименту. Малюнок з сайту uni-muenster.de

Відомо (F. van der Woude, 1966. Mössbauer Effect in ^ _Fe₂O3), що при РТ-умовах, що приблизно відповідають межі між верхньою і нижньою мантією (глибина близько 660 км) α-_Fe₂O3 переходить в іншу поліморфну модифікацію ι-_Fe₂O3, що вже не володіє при таких умовах магнітними властивостями. Але як змінюються магнітні властивості α-_Fe₂O3 до цих глибин, раніше не було відомо.

Ріс. 3. Магнітна фазова діаграма для α-Fe₂O₃ (блакитна область) і ι-Fe₂O₃ (зелена область). Тонкі прямі лінії — межі магнітних фазових переходів, проведені за результатами описуваного експерименту: РМ — парамагнітна фаза; AFM — антиферромагнітна фаза; cAFM — антиферромагнітна фаза зі спиновим обертанням; М — невизначений магнітний стан. Кольоровими лініями показані РТ-профілі для різних субдукуючих літосферних плит: червоний — північна частина Південно-Американської плити в районі Малих Антильських островів; блакитний — плита Соломонового моря; синій — плита Тонга. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Проведене дослідження дозволило провести межі магнітних фазових переходів на РТ-діаграмі для α-Fe₂O₃ і ­ — Fe₂O₃ (рис. 3). У результаті з’ясувалося, що гематит (α-Fe₂O₃) зберігає свої ферромагнітні властивості аж до температур 950-1200 K (залежно від тиску).

Це означає, що в «холодних» (коли температура повільно наростає з глибиною) субдукуючих плитах, таких як плита Тонга або плита Соломонова моря, гематит збереже свої ферромагнітні властивості до самої межі між верхньою і нижньою мантією (яка проходить на глибині приблизно 660 км), а в «гарячих» (де температура з глибиною зростає швидко) плитах на кшталт північної частини Південно-Американської плити — принаймні до верхньої межі перехідної зони мантії (410 км). Графіки зміни температури плит з глибиною автори дослідження отримували шляхом обчислень, головними параметрами яких були температура астеносфери в зоні субдукції, теплоємність плити і глибина занурення, взяті з глобальної термальної моделі зон субдукції (E. Syracuse et al., 2010. The global range of subduction zone thermal models).

Отримані результати дозволяють по-новому пояснити природу великої лінійної магнітної аномалії, що простягається вздовж всієї західної околиці Тихого океану. Раніше цю аномалію інтерпретували як слід міграції магнітних полюсів Землі в період однієї з останніх інверсій магнітного полюса Землі. Тепер же зрозуміло, що швидше за все вона пов’язана з субдукуючими плитами, розташованими на глибинах до 300-600 км під зафіксованими аномаліями (рис. 4).

Ріс. 4. Можливі положення магнітних полюсів за останні 11 млн років (червоні точки). Видно, що ланцюжок «палеомагнітних полюсів» уздовж західної околиці Тихого океану практично збігається з глибинним положенням субдукуючих плит, що фіксуються за позитивними аномаліями швидкостей проходження поздовжніх сейсмічних хвиль (показані відтінками синього) на глибині близько 500 км. Зеленими зірочками показані зони ферромагнітної стабільності гематиту на тій же глибині (за результатами обговорюваного дослідження). Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Можливо, що і ланцюжок «палеомагнітних полюсів» уздовж східної околиці Тихого океану є не відображенням шляхів міграції полюсів під час інверсій, а також фіксує магнітні аномалії, пов’язані з океанічними плитами, що занурюються під американські континенти.

Інформація про те, що мантія до глибин перехідної зони може містити магнітні мінерали і володіти залишковою спробованістю, допоможе геофізикам правильніше інтерпретувати не тільки сучасні магнітні спостереження, але і палеомагнітні дані, за допомогою яких вчені відновлюють історію змін магнітного поля Землі в різні періоди геологічної історії.

Джерело: I. Kupenko, G. Aprilis, D. M. Vasiukov, C. McCammon, S. Chariton, V. Cerantola, I. Kantor, A. I. Chumakov, R. Rüffer, L. Dubrovinsky, C. Sanchez-Valle. Magnetism in cold subducting slabs at mantle transition zone depths // Nature. 2019. V. 570. P. 102–106. DOI: 10.1038/s41586-019-1254-8.

Владислав Стрекопитов