«Зона спинового переходу в нижній мантії змушує по-новому поглянути на нутрощі Землі»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 60

Зона спинового переходу в нижній мантії показана на врізці: праворуч (червоний колір) — високоспинове залізо, ліворуч (синій) — низькоспинове. (Ріс. Gyorgy Vanko і Steve Jacobsen з сайту www.llnl.gov)

Міжнародна група геофізиків експериментально показала, що в умовах, характерних для нижньої мантії Землі, в мінералі ферроперіклазі (Mg_0,75,Fe_0,25) O відбувається поступова переорієнтація іонів заліза з високоспинових на низькоспинові. Тиск і температура цього спинового переходу відповідають глибині від 1000 до 2200 км. Наявність перехідної зони змушує переглянути методи інтерпретації геофізичних даних щодо проходження сейсмічних хвиль через глибинну мантію, а також внести зміни в майбутні моделі.

Значна частина даних про внутрішню будову Землі отримана шляхом реєстрації швидкості розповсюдження поздовжніх і поперечних сейсмічних хвиль, яка залежить від упругості і щільності середовища. Так, у 1909 році хорватський геофізик Андрій Мохоровичич встановив, що швидкість поширення поздовжніх сейсмічних хвиль різко збільшується на глибині близько 35 км під материками і 5-10 км під океанічним дном. Цей рубіж відповідає межі між земною корою і мантією і називається поверхнею Мохоровичича.

Оболонки «твердої» Землі разом з перехідними шарами

Досить чітко визначається і межа мантії і ядра — вона відома як шар Гутенберга. У цій зоні поздовжні хвилі сповільнюються, а поперечні взагалі не поширюються. Це говорить про те, що зовнішнє ядро поводиться як рідина, оскільки поперечні хвилі не здатні поширюватися в рідкому середовищі. Внутрішнє ядро вважається твердим, оскільки швидкість поширення сейсмічних хвиль у ньому знову різко зростає.

Мантія займає близько 83% земного обсягу і близько 67% маси. Верхня межа мантії проходить по поверхні Мохоровичича, а нижня — на кордоні з ядром на глибині близько 2900 км. Мантія в свою чергу теж підрозділюється на верхню (глибиною до 670 км) і нижню (від 670 до 2900 км). Тиск у нижній мантії варіює від 22 до 140 ГПа (від 220 тис. до 1,4 млн атмосфер), температура — від 1800 до 4000 К.

Нижня мантія недоступна прямому спостереженню: довжина найглибшої свердловини в світі, пробуреної на Кольському півострові, поки становить «всього лише» 12 км 262 м. Частково дані про мінералогічний склад нижньої мантії можна отримати за мантійними розплавами, фрагментами мантійних порід, що виносяться мантійними розплавами на поверхню (наприклад, алмазами), а також мантійними породами у складі земної кори (які, втім, швидше за все володіють властивостями, ніж глибинні породи).

Основна ж частина даних про нижню мантію отримана непрямим шляхом — за допомогою обчислень або лабораторних експериментів. Для розуміння процесів, що відбуваються в глибині Землі, необхідно знати залежності швидкостей поширення поздовжніх і поперечних хвиль, модуля пружності, щільності, коефіцієнта термічного розширення, питомої теплоємності, температури плавлення, в’язкості, електро- і теплопровідності гірських порід — від тиску. Тому гірські породи досліджуються при високих тисках в лабораторії (під дією ударного стиснення або в спеціальних камера високого тиску з алмазними ковадлами — diamond anvil cell) і на підставі їх властивостей інтерпретуються дані про швидкості поширення сейсмічних хвиль і розподіл щільності речовини в надрах Землі. Експериментальні методи включають також ультразвукові вимірювання швидкості як функції тиску. (Детальніше про дослідження внутрішньої будови Землі див. у статті Геофізика).

Внутрішня будова Землі, встановлена за геофізичними даними про зміну тиску з глибиною (100 ГПа = 1 Мбар = 1 000 000 атмосфер). Ріс. з енциклопедії «Кругосвіт»

Вважається, що за своїм складом нижня мантія в основному представлена мінералами, що містять кисень, кремній, магній і залізо, і в значно менших кількостях — кальцій, алюміній, натрій, калій. Близько 70% обсягу нижньої мантії, або 40% обсягу всієї Землі, складають перовскіти (Mg, Fe) Si_O3, близько 20% — магнезіовюститы (Mg, Fe) O.

Властивості залізовмісних мінералів у нижній мантії залежать від електронного стану атомів заліза. Справа в тому, що іон заліза Fe² + (а залізо в мінеральних солях присутній у вигляді іонів) має чотири неспарені електрони, кожен зі спином 1/2. Ці електрони можуть спарюватися або в повний спин 2 (високоспиновий стан), або в повний спин 0 (низькоспиновий). При звичайних тисках у F^e2 + енергетично вигідний повний спин 2. Однак при значному підвищенні тиску, коли можна говорити вже про зменшення розмірів тіл, починає позначатися вплив сусідніх атомів. У цьому випадку електронам в ^Fe2 + вже енергетично вигідно змінити спарювання на низькоспинове, оскільки вони при цьому трохи більш компактно «сидять» всередині іона.

Геофізики-теоретики вже давно передбачали, що в умовах нижньої мантії у залізовмісних мінералів може існувати широка зона спинового переходу — коли одночасно існує високоспинове і низькоспинове залізо. Міжнародній команді вчених з наукових установ США, Угорщини та Франції на чолі з Цзюн-Фу Лінем (Jung-Fu Lin) з Групи фізики високих тисків Ліверморської національної лабораторії ім.Лоуренса (Каліфорнія, США) вдалося експериментально (в лабораторії) підтвердити теоретичні розрахунки на прикладі представника магнезіовюститів — мінералу ферроперіклазу (Mg_0,75,Fe_0,25).

Затиснувши кристал ферроперіклаза між алмазними ковадлами, вони поступово підвищували тиск, а також нагрівали камеру за допомогою лазера, моделюючи умови на різних глибинах нижньої мантії. Аналіз спектрів випромінювання розпеченого і спресованого мінералу методом емісійної рентгенівської спектроскопії показав, що при тиску 95 гігапаскалів і температурі 2000 До електрони в іонах заліза Fe² + дійсно переорієнтувалися. Однак на фазовій діаграмі спиновий перехід не був локалізований у вузькій області, як це зазвичай буває для фазових переходів. При тисках і температурах, що відповідають глибині від 1000 до 2200 км в нижній мантії, високоспинове залізо поступово переходило в низькоспинове (глибше 2200 км повинен існувати вже тільки низькоспиновий ферропериклаз). Цей експеримент дозволив локалізувати зону спинового переходу, передбачену теоретиками, глибиною від 1000 до 2200 км. І хоча цей діапазон досить широкий, він виявився все ж вже передбаченого.

Наявність широкої зони спинового переходу дуже важливо для подальшої інтерпретації сейсмічних даних. Адже при переході в низькоспиновий стан іон заліза помітно зменшується в обсязі, і значить мінерал з низькоспиновим залізом щільніше, ніж з високоспиновим. Якби перехід був різким, це означало б, що в нижній мантії є різка межа щільності, від якої повинні відбиватися сейсмічні хвилі. Але раз різкої межі немає, значить відбиватися нема від чого, і повинно бути тільки плавне заломлення хвиль.

В результаті спинового переходу може змінюватися не тільки щільність, але і еластичність, електропровідність, теплопровідність та інші характеристики мінералу, що вкрай важливо знати для майбутнього моделювання складу нижньої мантії і процесів, що протікають в ній.

Тепер геофізики розраховують вивчити властивості інших оксидів і силікатів (насамперед перовскіта) навколо зони спинового переходу, а також провести сейсмічні та геодинамічні дослідження, щоб краще зрозуміти властивості мінералів у перехідній зоні.

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

Див. також:

1) Researchers locate mantle’s spin transition zone, leading to clues about earth’s structure — прес-реліз Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса, 20.09.2007.

2) Experiments challenge models about the deep Earth — прес-реліовський 202020, Карнегіз 2020s aH

. Склад і будова мантії Землі (Pdf, 310 Кб )//Соросівський освітній журнал, № 11, 1998, с. 111-119.4

) Геофізика (стаття з енциклопедії «Кругозвіт») .

5) Earth’s Interior — сторінка про методи дослідження нутрощів Землі.

Дарина Баранова