Российские учёные изменили представление о строении земной мантии

Расплавленный внутренний слой Земли, именуемый мантией, безусловно, влияет на облик нашей планеты: тектонические плиты, из которых сложены материки и океанское дно, «плавают» по верхнему слою мантии, провоцируя то землетрясения, то извержения вулканов. Считалось, что в этом движении участвует только верхний слой мантии, ближайший к коре, тогда как нижний практически не влияет на сейсмические процессы. Однако теперь появился повод пересмотреть эти взгляды. Группа учёных из России и США нашла условия, при которых один из основных минералов нижнего слоя мантии, ферропериклаз, меняет важные характеристики: магнитные свойства, электро- и теплопроводность. Полученные результаты, опубликованные в недавнем номере Proceedings of National Academy of Sciences, бросают вызов известным теориям строения Земли и позволяют глубже заглянуть в процессы, происходящие внутри нашей планеты.

Ферропериклаз – второй по распространённости в нижнем слое мантии минерал, состоящий из атомов кислорода, магния и железа. Поэтому не удивительно, что свойства ферропериклаза играют не последнюю роль в определении облика нашей планеты. Ионы железа, одного из компонентов минерала, имеют чётное число электронов. Модель строения атома говорит нам, что все его электроны располагаются в «ячейках», каждая из которых может содержать в себе не более двух названных элементарных частиц. Если число ячеек превышает число пар электронов, появляются такие частицы, которые не имеют партнёра, при этом электроны находятся в максимально возможном числе ячеек. Как раз такое неспаренное расположение некоторых электронов характерно для атомов железа в их основном состоянии.

Каждый электрон имеет такую характеристику, как спин. К сожалению, это понятие, как и многие другие из мира квантовой физики, не может быть точно передано языком механики, однако, очень упрощая, можно считать, что спин – это момент вращения электрона, выражаемый либо числом -1/2, либо +1/2.

Одно из правил распределения электронов в атоме гласит, что неспаренные частицы должны иметь максимальный спин, то есть чем больше будет электронов «+1/2», тем лучше: в таком случае атом в целом будет иметь наибольший спин и наименьшую энергию. Частицы в одной и той же ячейке не могут иметь одинаковый спин.

Железо в обсуждаемом минерале находится в состоянии, которое чаще всего можно наблюдать при температурах, близких к комнатной, а также давлениях, близких к атмосферному, и имеет 4 неспаренных электрона. Обычно именно в таких условиях и изучали свойства ферропериклаза. Учёные из Института кристаллографии РАН, Троицкого подразделения Института ядерных исследований РАН, Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН и американских организаций во главе с заведующим отделом Института кристаллографии РАН доктором физико-математических наук, профессором Игорем Любутиным учли, что давление и температура на поверхности Земли заметно отличаются от тех, что в мантии. Для исследования свойств минерала они использовали алмазную ячейку высокого давления – прибор, в который между двух алмазных наковален помещается изучаемый образец.

«В нашей работе выполнены уникальные и, возможно, первые в мире измерения магнитных свойств при высоких давлениях и низких температурах.

Существовавшие до того ячейки с алмазными наковальнями не позволяли проводить такие измерения, поскольку их стальной корпус при охлаждении деформировался. Российские участники работы – Александр Григорьевич Гаврилюк и Игорь Савельевич Любутин из московского Института кристаллографии – специально разработали и изготовили ячейки из немагнитного материала, которые не деформируются при охлаждении, что и позволило провести уникальный эксперимент», – комментирует Сергей Овчинников, заведующий кафедрой теоретической физики в Институте инженерной физики и радиоэлектроники СФУ, разрабатывавший теоретическую модель для исследования.

Чтобы объяснить суть этих всколыхнувших науку экспериментов, вернёмся к трансформациям, происходящим в исследуемом минерале. Кристалл твёрдого железа при повышенном давлении уменьшается в объёме, и в какой-то момент неспаренные электроны для «экономии места» начинают переходить в ячейки, где уже есть одна аналогичная частица, меняя при этом свой спин на противоположный по знаку (от +1/2 к -1/2). Такой переход называется переходом от высокоспинового к низкоспиновому состоянию, поскольку абсолютная сумма значений спинов при этом уменьшается.

Теоретически переход от высокоспинового состояния к низкоспиновому возможен при любых значениях физических параметров, однако существуют такие значения температуры и давления, при которых на упомянутое изменение состояния атома практически не тратится энергия. Этот набор значений физических характеристик называется квантовой критической точкой, если переход происходит при температуре абсолютного нуля. В экспериментах, о которых идёт речь, было установлено, что в критической точке для ферропериклаза давление составляет 55 гигапаскалей. При этом 90 гигапаскалей (среднее давление в глубоком слое мантии) и 2800 кельвин (температура в том же слое мантии) – значения, при которых железо «сжимается» достаточно легко, без особых затрат энергии.

Получается, что в недрах Земли на определённой глубине непрерывно и обратимо идёт изменение свойств весьма распространённого там вещества, которое влечёт за собой и изменение магнитных свойств минерала (при переходе в низкоспиновое состояние магнитные свойства железа ослабевают), и изменение его теплопроводности, электропроводности и, конечно же, плотности. Всё это, с одной стороны, ставит перед исследователями множество новых вопросов, а с другой, даёт возможность пересмотреть имеющиеся данные о земной мантии и о строении нашей планеты в целом, найти обоснования ряду фактов, чьи причины ещё не были установлены.

Источник:

I.S. Lyubutin et al. Quantum critical point and spin fluctuations in lower-mantle ferropericlase // PNAS, PNAS 2013 110 (18) 7142–7147; published ahead of print April 15, 2013.