Зона спинового переходу в нижній мантії змушує по-новому поглянути на нутрощі Землі.
Міжнародна група геофізиків експериментально показала, що в умовах, характерних для нижньої мантії Землі, в мінералі феропериклазі (Mg0,75,Fe0,25)O відбувається поступова переорієнтація іонів заліза з високоспінових на низькоспінові. Тиск та температура цього спинового переходу відповідають глибині від 1000 до 2200 км. Наявність перехідної зони змушує переглянути методи інтерпретації геофізичних даних щодо проходження сейсмічних хвиль через глибинну мантію, а також внести зміни до майбутніх моделей.
Значна частина даних про внутрішню будову Землі отримана шляхом реєстрації швидкості поширення поздовжніх та поперечних сейсмічних хвиль, яка залежить від пружності та щільності середовища. Так, в 1909 хорватський геофізик Андрій Мохоровичич встановив, що швидкість поширення поздовжніх сейсмічних хвиль різко збільшується на глибині близько 35 км під материками і 5-10 км під океанічним дном. Цей рубіж відповідає кордону між земною корою та мантією та називається поверхнею Мохоровичича.
Досить чітко визначається і межа мантії та ядра - вона відома як шар Гутенберга. У цій зоні поздовжні хвилі сповільнюються, а поперечні взагалі не поширюються. Це говорить про те, що зовнішнє ядро поводиться як рідина, оскільки поперечні хвилі не здатні поширюватися в рідкому середовищі. Внутрішнє ядро вважається твердим, оскільки швидкість поширення сейсмічних хвиль у ньому знову різко зростає.
Мантія займає близько 83% земного обсягу та близько 67% маси. Верхня межа мантії проходить поверхнею Мохоровичича, а нижня — на кордоні з ядром на глибині близько 2900 км. Мантія у свою чергу тежпідрозділяється на верхню (глибиною до 670 км) та нижню (від 670 до 2900 км). Тиск у нижній мантії варіює від 22 до 140 гПа (від 220 тис. до 1,4 млн атмосфер), температура - від 1800 до 4000 К.
Нижня мантія недоступна прямому спостереженню: довжина найглибшої свердловини у світі, пробуреної на Кольському півострові, поки що становить «лише» 12 км 262 м. Частково дані про мінералогічний склад нижньої мантії можна отримати по мантійним розплавам, фрагментам мантійних порід, що виносять мантійних порід. поверхню (наприклад, алмазам), а також мантійним породам у складі земної кори (які, втім, швидше за все мають інші властивості, ніж глибинні породи).
Вважається, що за своїм складом нижня мантія здебільшого представлена мінералами, що містять кисень, кремній, магній та залізо, та у значно менших кількостях — кальцій, алюміній, натрій, калій. Близько 70% обсягу нижньої мантії, або 40% обсягу всієї Землі, становлять перовскіти (Mg, Fe)SiO3, близько 20% - магнезіовюстити (Mg, Fe)O.
Властивості залізовмісних мінералів у нижній мантії залежить від електронного стану атомів заліза. Справа в тому, що іон заліза Fe 2+ (а залізо в мінеральних солях присутній у вигляді іонів) має чотири неспарені електрони, кожен зі спином 1/2. Ці електрони можуть спаровуватися або в повний спин 2 (високоспіновий стан), або в повний спин 0 (низкоспиновий). При звичайних тисках у Fe 2+ енергетично вигідний повний спин 2. Однак при значному підвищенні тиску, коли можна говорити про зменшення розмірів тіл, починає позначатися вплив сусідніх атомів. У цьому випадку електронам у Fe 2+ вже енергетично вигідно змінити спарювання на низькоспинове, оскільки вони при цьому трохи компактніше «сидять» усередині іона.
Геофізики-теоретики вже давно передбачали, що в умовах нижньої мантії у мінералів, що містять залізо, може існувати широка зона спинового переходу — коли одночасно існує високоспинове і низькоспинове залізо. Міжнародній команді вчених із наукових установ США, Угорщини та Франції на чолі з Цзюн-Фу Лінем (Jung-Fu Lin) із Групи фізики високих тисків Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса (Каліфорнія, США) вдалося експериментально (в лабораторії) підтвердити теоретичні розрахунки на прикладі представника магнезіовюститів - мінералу феропериклазу (Mg0,75,Fe0,25)O.
Затиснувши кристал феропериклазу між алмазними ковадлами, вони поступово підвищували тиск, а також нагрівали камеру за допомогою лазера, моделюючи умови на різних глибинах мантії. Аналіз спектрів випромінювання розпеченого та спресованого мінералу методом емісійної рентгенівської спектроскопії показав, що при тиску 95 гігапаскалів та температурі 2000 К електрони в іонах заліза Fe 2+ дійсно переорієнтувалися. Однак на фазовій діаграмі спіновий перехід не був локалізований у вузькій ділянці, як це зазвичай буває для фазових переходів. При тисках і температурах, що відповідають глибині від 1000 до 2200 км у нижній мантії, високоспинове залізо поступово переходило в низькоспінове (глибше 2200 км має існувати вже лише низькоспіновий феропериклаз). Цей експеримент дозволив локалізувати зону спинового переходу, передбачену теоретиками, завглибшки від 1000 до 2200 км. І хоча цей діапазон досить широкий, він виявився все ж таки вже передбаченого.
Наявність широкої зони спинового переходу дуже важлива для подальшої інтерпретації сейсмічних даних. Адже при переході в низькоспіновий стан іон заліза помітно зменшується в обсязі, і значить мінералнизькоспиновим залізом щільніше, ніж із високоспиновим. Якби перехід був різким, це означало б, що у нижній мантії є різка межа щільності, від якої мають відбиватися сейсмічні хвилі. Але якщо різкої межі немає, значить відбиватися нема від чого, і має бути тільки плавне заломлення хвиль.
В результаті спинового переходу може змінюватися не тільки щільність, але й еластичність, електропровідність, теплопровідність та інші характеристики мінералу, що вкрай важливо знати для майбутнього моделювання складу нижньої мантії та процесів, що протікають в ній.
Тепер геофізики розраховують вивчити властивості інших оксидів і силікатів (насамперед перовскіту) навколо зони спинового переходу, а також провести сейсмічні та геодинамічні дослідження, щоб краще зрозуміти властивості мінералів у перехідній зоні.