Художественная концепция внутренних слоев Земли. Фото предоставлено С. Якобсеном, М. Визисионем и Г. Карасом. нажмите, чтобы увеличить
Недавно сейсмологи заметили, что скорость и направление сейсмических волн в нижней мантии Земли, между 400 и 1800 милями ниже поверхности, сильно различаются. «Я думаю, что мы, возможно, обнаружили, почему сейсмические волны там так непоследовательно» заявил Юнг-Фу Лин. * Лин находился в Геофизической лаборатории Института Карнеги во время исследования и был ведущим автором статьи, опубликованной в номере журнала Nature от 21 июля. До этого исследования ученые упростили воздействие железа на мантийные материалы. Это самый распространенный переходный металл на планете, и наши результаты не соответствуют прогнозам ученых? он продолжил. «Возможно, нам придется пересмотреть то, что, по нашему мнению, происходит в этой скрытой зоне. Это гораздо сложнее, чем мы себе представляли.
Давления разрушения в нижней мантии сжимают атомы и электроны настолько близко друг к другу, что они взаимодействуют иначе, чем при нормальных условиях, даже заставляя вращающиеся электроны спариваться на орбитах. Теоретически, поведение сейсмических волн на этих глубинах может быть результатом влияния давления сжатия на электронное спиновое состояние железа в материалах нижней мантии. Команда Линя выполнила эксперименты сверхвысокого давления на наиболее распространенном там оксидном материале, магнезиевисте (Mg, Fe) O, и обнаружила, что изменяющиеся электронные спиновые состояния железа в этом минерале кардинально влияют на упругие свойства магнезиевита. , Исследование может объяснить сложные аномалии сейсмических волн, наблюдаемые в самой нижней мантии.
Как соавтор исследования Виктор Стружкин уточнил: «Это первое исследование, которое экспериментально демонстрирует, что эластичность магнезиального поля значительно изменяется при более низких мантийных давлениях в диапазоне от 500 000 до 1 миллиона раз, превышающем давление на уровне моря (1 атмосфера»). ). Считается, что магниевый остаток, содержащий 20% оксида железа и 80% оксида магния, составляет примерно 20% от объема нижней мантии. Мы обнаружили, что при воздействии давления от 530 000 до 660 000 атмосфер спины электронов железа переходили из состояния с высоким спином (неспаренным) в состояние с низким спином (спиновое). При мониторинге спинового состояния железа мы также измерили скорость изменения объема (плотности) магнезиевита через электронный переход. Эта информация позволила нам определить, как сейсмические скорости будут меняться в зависимости от перехода.
«Удивительно, но объемные сейсмические волны распространяются примерно на 15% быстрее, когда электроны железа образуют спин-пары в оксиде магния-железа». прокомментировал соавтор Стивен Якобсен. Следовательно, измеренный скачок скорости через переход может быть обнаружен сейсмически в глубокой мантии. Эксперименты проводились в камере давления с алмазной наковальней с использованием источника интенсивного рентгеновского излучения на национальном источнике синхротрона третьего поколения, Аргоннской национальной лаборатории, недалеко от Чикаго.
«Таинственный регион нижней мантии не может быть выбран напрямую. Поэтому мы должны полагаться на эксперименты и теорию. Поскольку то, что происходит внутри Земли, влияет на динамику всей планеты, для нас важно выяснить, что вызывает необычное поведение сейсмических волн в этом регионе, заявил Лин. «До сих пор ученые Земли понимали внутреннее пространство Земли, рассматривая только чистые оксиды и силикаты. Наши результаты просто указывают на то, что железо, самый распространенный переходный металл на всей Земле, дает очень сложные свойства в этом глубоком регионе. Мы с нетерпением ждем наших следующих экспериментов, чтобы увидеть, сможем ли мы улучшить наше понимание того, что там происходит? он заключил.
Первоисточник: Пресс-релиз Института Карнеги
