Обнаружен новый слой в мантии Земли: подробности

Впервые удалось показать, что огромное давление и температура в мантии Земли влияют на свойства вещества на субатомном уровне. Эти изменения означают существование нового слоя в земной мантии.

Мантия, расположенная под земной корой и выше ядра, находится на расстоянии от 30 до 2900 км от поверхности Земли. Поскольку мантия Земли недоступна непосредственному исследованию, большая часть информации о ней получена геохимическими и геофизическими методами. Данные о геологическом строении мантии очень ограничены, их получают в основном по мантийным расплавам, фрагментам мантийных пород, выносимых на поверхность вместе с этими расплавами, и по мантийным породам в составе земной коры.

Нижняя мантия, расположенная между 650 и 2800 км от поверхности Земли, занимает половину объема планеты, она составлена в основном из соединений, содержащих кислород, магний и кремний. Около 5% приходится на долю железа, которое содержится в виде ферропериклаза (оксиде железа-магния) и силикат-перовскита (силикат железа-марганца).

Сотрудник национальной лаборатории США им. Лоуренса в Ливерморе Цзюн-Фу Линь (Jung-Fu Lin) и его коллеги из других научных учреждений США совместно с европейскими коллегами из центра по изучению синхротронного излучения опубликовали в журнале Science результаты исследования ферропериклаза. Ранее теоретики предсказали, что в нижней мантии при давлении 135 ГПа и температуре около 4000 градусов Кельвина происходит спиновый переход - электроны в атомах железа переходят из состояния с высоким значением спина в низкоспиновое состояние. Давление и температура заставляют электроны объединяться в пары, что при нормальных условиях им несвойственно в этом минерале.

Нынешняя работа американских и французских ученых, проведенная в лаборатории, где были смоделированы условия нижней мантии Земли (соответствующие температура и давление), экспериментально подтвердила теоретический расчет. Более того, было показано, что этот спиновый переход не имеет характера фазового перехода, и одновременно существуют и низкоспиновые, и высокоспиновые состояния ферропериклаза.

Исследователи рассчитывают обнаружить аналогичный эффект и для силикат-перовскита, на долю которого приходится больший процент вещества мантии, чем на ферропериклаз. Это будет означать, что в мантии на глубине от 1000 до 2200 км есть переходная зона, где происходит смена спинового состояния минералов, а это должно влиять на интерпретацию геофизических данных. Кроме того, спиновое состояние минералов в мантии может влиять на вулканическую деятельность, возникновение землетрясений, дрейф континентов.