Преходната зона на въртене в долната мантия ни кара да хвърлим нов поглед към вътрешността на Земята •
Международна група геофизици експериментално показа, че при условия, характерни за долната мантия на Земята, в минерала феропериклаз (Mg0.75,Fe0.25)O, настъпва постепенно преориентиране на железни йони от високоспинови към нискоспинови. Налягането и температурата на този спинов преход съответстват на дълбочини от 1000 до 2200 км. Наличието на преходна зона налага преразглеждането на методите за интерпретиране на геофизичните данни за преминаването на сеизмичните вълни през дълбоката мантия, както и извършването на промени в бъдещите модели.
Значителна част от данните за вътрешната структура на Земята са получени чрез записване на скоростта на разпространение на надлъжни и напречни сеизмични вълни, която зависи от еластичността и плътността на средата. Така през 1909 г. хърватският геофизик Андрей Мохоровичич установява, че скоростта на разпространение на надлъжните сеизмични вълни рязко се увеличава на дълбочина около 35 km под континентите и 5–10 km под океанското дъно. Тази граница съответства на границата между земната кора и мантията и се нарича повърхност на Мохорович.
Границата между мантията и ядрото също е доста ясно очертана – тя е известна като слой Гутенберг. В тази зона надлъжните вълни се забавят, докато напречните вълни изобщо не се разпространяват. Това предполага, че външното ядро се държи като течност, тъй като напречните вълни не могат да се разпространяват в течна среда. Вътрешното ядро се счита за твърдо, тъй като скоростта на разпространение на сеизмичните вълни в него отново рязко се увеличава.
Мантията заема около 83% от обема на Земята и около 67% от масата. Горната граница на мантията минава по повърхността на Мохоровичич, а долната - на границата с ядрото на дълбочина около 2900 km. Мантията на свой ред същоподразделя се на горни (до 670 km дълбочина) и долни (от 670 до 2900 km). Налягането в долната мантия варира от 22 до 140 GPa (от 220 хиляди до 1,4 милиона атмосфери), температурата варира от 1800 до 4000 K.
Долната мантия е недостъпна за пряко наблюдение: дължината на най-дълбокия кладенец в света, пробит на полуостров Кола, е "само" 12 km 262 m, но най-вероятно има други свойства, различни от дълбоките скали).
Смята се, че в състава си долната мантия е представена основно от минерали, съдържащи кислород, силиций, магнезий и желязо, и в много по-малки количества - калций, алуминий, натрий, калий. Около 70% от обема на долната мантия или 40% от обема на цялата Земя се състои от перовскити (Mg, Fe)SiO3, около 20% - магнезиавустити (Mg, Fe)O.
Свойствата на желязосъдържащите минерали в долната мантия зависят от електронното състояние на железните атоми. Факт е, че железният йон Fe 2+ (и желязото присъства в минералните соли под формата на йони) има четири несдвоени електрона, всеки със спин 1/2. Тези електрони могат да се сдвоят или до пълно въртене 2 (състояние с високо въртене), или до пълно въртене 0 (състояние с ниско въртене). При обикновени налягания Fe 2+ има енергийно благоприятно общо въртене от 2. Въпреки това, със значително повишаване на налягането, когато вече може да се говори за намаляване на размера на телата, влиянието на съседните атоми започва да се отразява. В този случай е енергийно благоприятно за електроните в Fe 2+ да променят сдвояването на ниско спиново, тъй като в този случай те „седят“ малко по-компактно вътре в йона.
ГеофизикаТеоретиците отдавна са прогнозирали, че при условията на долната мантия, минералите, съдържащи желязо, могат да имат широка спинова преходна зона, когато желязото с висок и ниско спин съществува едновременно. Международен екип от учени от научни институции в САЩ, Унгария и Франция, ръководен от Юнг-Фу Лин от Групата по физика на високото налягане на Националната лаборатория в Ливърмор. Лорънс (Калифорния, САЩ) успя експериментално (в лаборатория) да потвърди теоретичните изчисления, използвайки примера на представител на магнезиууститите, минерала феропериклаз (Mg0.75,Fe0.25)O.
Захващайки кристал феропериклаз между диамантени наковални, те постепенно увеличават налягането и също така нагряват камерата с лазер, симулирайки условия на различни дълбочини на долната мантия. Анализът на емисионните спектри на нажежен и пресован минерал чрез рентгенова емисионна спектроскопия показа, че при налягане от 95 гигапаскала и температура от 2000 K, електроните в Fe 2+ железните йони наистина се преориентират. Във фазовата диаграма обаче спиновият преход не е локализиран в тясна област, както обикновено се случва при фазовите преходи. При налягания и температури, съответстващи на дълбочини от 1000 до 2200 km в долната мантия, желязото с висок спин постепенно се превръща в желязо с нисък спин (под 2200 km трябва да съществува само феропериклаз с нисък спин). Този експеримент позволи да се локализира преходната зона на спина, предвидена от теоретиците, с дълбочина от 1000 до 2200 km. И въпреки че този диапазон е доста широк, той се оказа вече предсказан.
Наличието на широка спинова преходна зона е много важно за по-нататъшното тълкуване на сеизмичните данни. Наистина, при преминаване към състояние с ниско въртене, железният йон значително намалява обема си, което означава, че минералът сс желязо с ниско въртене е по-плътно, отколкото с желязо с висок въртене. Ако преходът беше рязък, това би означавало, че има рязка граница на плътност в долната мантия, от която сеизмичните вълни трябва да се отразяват. Но тъй като няма рязка граница, тогава няма от какво да се отразява и трябва да има само плавно пречупване на вълните.
В резултат на спиновия преход може да се промени не само плътността, но и еластичността, електропроводимостта, топлопроводимостта и други характеристики на минерала, което е изключително важно да се знае за бъдещо моделиране на състава на долната мантия и процесите, протичащи в нея.
Сега геофизиците очакват да проучат свойствата на други оксиди и силикати (предимно перовскит) около спиновата преходна зона, както и сеизмични и геодинамични изследвания, за да разберат по-добре свойствата на минералите в преходната зона.