Эксперименты бросают вызов моделям глубоких недр Земли

В первых экспериментах, способных воспроизвести сокрушительные, раскалённые условия нижней мантии Земли и одновременно исследовать характерные свойства железа, учёные обнаружили, что материал там ведёт себя совершенно иначе, чем предсказывали модели. Исследование также указывает на вероятность существования новой зоны в глубоких недрах Земли. Работа опубликована 21 сентября 2007 года в журнале Science.

Поверхностные явления, такие как вулканы и землетрясения, порождаются процессами в недрах Земли. Чтобы понять некоторые из этих динамических процессов, учёным необходимо исследовать глубины планеты. Нижняя мантия находится на глубине от 650 до 2800 км и располагается над внешним ядром.

Давление в нижней мантии колоссально — от примерно 23 ГПа до почти 135 ГПа. Температуры столь же экстремальны — от примерно 1800 до 4000 К. Используя лазерно-нагреваемую алмазную наковальню, учёные подвергли ферропериклаз (второй по распространённости материал в нижней мантии) давлению почти в 94 ГПа и температуре 1727 °C (2000 K), проанализировав его с помощью рентгеновской эмиссионной спектроскопии. В отличие от предыдущих опытов при комнатной температуре, новые эксперименты показали, что переход железа в минерале от высокоспинового состояния к низкоспиновому происходит не резко, а непрерывно в широком диапазоне давлений.

«Наши результаты позволяют предположить, что существует область или «зона спинового перехода» примерно от 1000 до 2200 км в глубину, где высокоспиновые, неспаренные электроны переходят в низкоспиновые, спаренные», — поясняет соавтор работы Виктор Стружкин из Геофизической лаборатории Института Карнеги. Поскольку на такие измерения, как скорость сейсмических волн, влияет соотношение спиновых состояний, это открытие ставит под сомнение традиционные методы моделирования данного региона.

Существование этой протяжённой переходной зоны может объяснить отсутствие значительного разделения железа между основными минералами мантии, а также некоторые особенности поведения сейсмических волн на этих глубинах. Преобладание более плотного низкоспинового материала в самой нижней части зоны может влиять на температурную стабильность мантийных плюмов — источников вулканических горячих точек, подобных Гавайям.