Тихая квантовая революция: как электроны в мантии Земли меняют геофизику

На глубинах ниже 1000 километров в мантии Земли давление превышает 1 миллион атмосфер, температуры становятся горячее лавы на поверхности, а горные породы ведут себя так, что это противоречит интуиции.

Десятилетиями сейсмологи интерпретировали структуру этой области, основываясь на фазовых переходах минералов, перестраивающих кристаллические решетки, температурных различиях, связанных с мантийной конвекцией, и вариациях состава, отражающих миллиарды лет переработки и дифференциации вещества. Эти процессы лежали в основе стандартного объяснения того, почему сейсмические волны проходят сквозь Землю с разной скоростью.

Недавно исследователи обнаружили отчетливый четвертый фактор, создающий неоднородности в мантии, — он возникает из-за квантового поведения электронов в ионах железа.

Этот процесс квантового масштаба происходит внутри отдельных атомов, но, как показывают новые данные, он способен формировать структуры планетарного масштаба, влияя на плавучесть, вязкость и течение породы в нижней мантии. Изучение квантовых эффектов в этой области все еще находится на ранней стадии, однако очевидно, что этот феномен критически важен для более полного понимания глубоких недр Земли.

Спины под давлением

Глубоко в нижней мантии ионы железа, входящие в состав двух доминирующих минералов — бриджманита ((Mg,Fe)(Si,Fe)O3) и ферропериклаза ((Mg, Fe)O), — претерпевают вызванную давлением перестройку своей электронной структуры, известную как спиновый переход. В ходе этого процесса некоторые электроны в ионах железа переходят из высокоспиновой конфигурации в низкоспиновую. Химические связи при этом не рвутся, а кристаллическая симметрия минералов сохраняется. Однако затронутые переходом ионы железа сжимаются, их связи растягиваются, а объем уменьшается.

Эксперименты при высоком давлении выявили это электронное превращение в лаборатории два десятилетия назад. В то время потенциальные последствия для структуры и поведения мантии считались возможно важными, но спекулятивными. Если этот феномен настолько тонок, может ли он иметь значение в масштабе континентов и конвективных потоков? Ответ появлялся лишь постепенно.

Спин — это внутреннее свойство отдельных ионов. Соотношение высоко- и низкоспиновых ионов железа в мантии непрерывно меняется с давлением и температурой; это явление известно как железный спиновый кроссовер (ЖСК). По мере изменения пропорций этих спиновых состояний меняется сжимаемость вмещающих их минеральных фаз.

Поскольку железный спиновый кроссовер влияет на сжимаемость минерала, он оставляет характерный отпечаток на скоростях P-волн, тогда как скорости S-волн меняются значительно меньше.

Ферропериклаз составляет около 20% объема нижней мантии, но именно в нем среди мантийных минералов самое высокое содержание железа в расчете на моль. Поэтому ЖСК наиболее заметен именно в этой фазе. В то же время ЖСК в бриджманите обнаружить сложнее, и он может оказывать менее значительное влияние на сжимаемость, даже несмотря на то, что бриджманит составляет до 80% нижней мантии.

Объяснение, по-видимому, в том, что в кристаллической структуре бриджманита железо обычно занимает менее сжатую позицию внутри кремнеземного каркаса. Чтобы подвергнуться достаточному сжатию для ЖСК, железу в бриджманите необходимо занять место некоторых ионов кремния в меньшей по размеру октаэдрической позиции минерала. Такое замещение происходит нелегко, поскольку в мантии достаточно алюминия и кремния, чтобы заполнить октаэдрический каркас, не растягивая его для размещения более крупных ионов железа.

Продольные сейсмические волны (P-волны) реагируют на изменения сжимаемости материала, через который они проходят, сильнее, чем поперечные волны (S-волны). Поскольку ЖСК влияет на сжимаемость минерала, он оставляет характерный отпечаток на скоростях P-волн, тогда как скорости S-волн меняются гораздо меньше. Это различие скрывалось у всех на виду. Только когда физика минералов и трехмерная сейсмическая томография были объединены, последствия стали ясны.

Физика спинового кроссовера

ЖСК — это сугубо квантовое явление. В высокоспиновом состоянии электроны занимают разные атомные орбитали с параллельными спинами, что приводит к образованию более крупного иона с большим объемом. В низкоспиновом состоянии электроны спариваются на орбиталях с более низкой энергией, уменьшая как спин, так и ионный объем. Температура на любой заданной глубине определяет относительное содержание этих различных спиновых состояний (Рис. 1).

При более низком давлении железо и в ферропериклазе, и в бриджманите остается в высокоспиновом состоянии, но рост давления стабилизирует низкоспиновую конфигурацию. Лабораторные измерения показали, что спиновые состояния ионов железа начинают меняться на глубинах около 1000 километров и продолжают меняться далеко за отметкой в 2000 километров, охватывая большую часть нижней мантии.

Эксперименты и первопринципные расчеты также показали, что ЖСК не создает резкой сейсмической границы в мантии. Вместо этого он создает широкую область смешанных спинов, где высоко- и низкоспиновые состояния сосуществуют, каждое со своим характерным ионным объемом и локальными деформациями.

Эти структурные тонкости и изменения в соотношении данных спиновых состояний железа под давлением меняют реакцию минералов на сжатие.

От квантовой физики к сейсмическим скоростям

Постепенный, вызванный давлением ЖСК снижает модуль объемного сжатия ферропериклаза, то есть его сопротивление сжатию (Рис. 2). В то же время модуль сдвига минерала, его сопротивление изменению формы, слегка увеличивается. Поскольку скорости P-волн зависят от обоих модулей, а скорости S-волн — от модуля сдвига, но не объемного сжатия, ЖСК снижает скорости P-волн с увеличением глубины, в то время как скорости S-волн слегка растут с глубиной.

Прорыв в понимании этих тенденций произошел, когда продвинутые первопринципные расчеты показали, что упругая реакция (то есть отклик на приложенную силу) ЖСК является очень размытой. Эта сигнатура охватывает большую часть нижней мантии, повсеместно снижая скорости P-волн, а не вызывая их резкое падение. Поскольку ЖСК зависит от температуры, эти обширные вариации еще менее заметны при сферическом усреднении трехмерных скоростей сейсмических волн, что делает их трудноразличимыми в одномерных моделях (Рис. 3).

Эти обновленные симуляции также показали, что снижение скоростей P-волн, вызванное ЖСК, неизбежно. Модели, которые выводят температуры мантии из сейсмических скоростей, обычно не учитывают этого снижения, что приводит к нереалистично низким температурам и экстремальным составам пород. ЖСК действует как фоновая поправка при расчетах температуры и состава: необходимая, но невидимая, пока ее не учтут явно.

Это понимание подготовило почву для нового взгляда на сейсмические данные: не через одномерные радиальные средние значения, а через трехмерные соотношения между скоростями P- и S-волн.

Сейсмологическая сигнатура, заметная в 3D

Наиболее поразительно ЖСК проявляется в разнице между аномалиями скоростей продольных и поперечных волн, вызванными температурными вариациями (Рис. 4). Поскольку температура по-разному влияет на скорости P- и S-волн, области, содержащие ферропериклаз, должны демонстрировать ослабленные P-волновые аномалии по сравнению с их S-волновыми аномалиями.

Слэбы (плиты) погружающейся океанической литосферы, например, имеют более высокие скорости волн, чем окружающая мантия, потому что они холоднее и их труднее сжать. Термодинамические модели предполагают, что ЖСК должен ослаблять аномалии скоростей P-волн, но не S-волн в этих слэбах, создавая диагностический паттерн декорреляции между скоростями P- и S-волн.

Этот эффект был распознан Ву и Венцкович еще в 2014 году, но первое свидетельство его в глобальном масштабе появилось, когда Шепард и коллеги в 2021 году использовали «карты голосов» для выделения согласованных особенностей на множестве независимых томографических моделей. Карты голосов показали, что в нижней мантии структуры P- и S-волн расходятся именно там, где ферропериклаз, как ожидается, находится в смешанно-спиновом состоянии.

Эти результаты складываются в последовательную картину: ЖСК проявляется в мантии не в виде резкого или размытого «слоя», а через трехмерные контрасты между структурами P- и S-волн.

Совсем недавно Кобден и соавторы (2024) использовали полноволновую томографию для получения абсолютных значений скоростей P- и S-волн. Их результаты показали, что для воспроизведения наблюдаемых скоростей с реалистичными температурами и составами требуется учет ЖСК; без него средняя мантия должна была бы быть нереалистично холодной и сильно обедненной кремнием.

Хотя влияние ЖСК на отношение температурно-индуцированных вариаций S-волн к P-волнам было признано ранее, было показано, что полный учет ЖСК в ферропериклазе количественно согласовывает предсказания физики минералов с сейсмологическими наблюдениями.

В совокупности эти открытия формируют последовательный нарратив: ЖСК выражается не как резкий или размытый «слой» в мантии, а через трехмерные контрасты между структурами P- и S-волн.

Железный спиновый кроссовер незаметно меняет облик мантии

Новое понимание, полученное в ходе недавних исследований, подтверждает несколько важных для геофизики выводов. Во-первых, ЖСК меняет интерпретации сейсмической структуры глубокой мантии. Сейсмическая неоднородность отражает не только изменения температуры, фазового состояния и состава, но и вариации в соотношении спиновых состояний. Зависящие от температуры изменения в популяциях высоко- и низкоспинового железа напрямую влияют на скорости сейсмических волн.

Во-вторых, учет эффектов ЖСК дает более реалистичные температуры мантии в интерпретациях, основанных на полноволновой томографии. Без этих эффектов модели указывают на нереалистично холодный или экстремальный состав пород.

В-третьих, смешанно-спиновый ферропериклаз быстрее уплотняется с ростом давления. Это уплотнение усиливает мантийную конвекцию и может снижать ее вязкость, потенциально влияя на такие тектонические процессы, как погружение и стагнация слэбов, а также подъем и морфология плюмов.

ЖСК иллюстрирует, как процессы квантового масштаба формируют поведение планетарного масштаба.

В более широком смысле ЖСК показывает, как квантово-масштабные процессы формируют планетарно-масштабное поведение. Вместо того чтобы создавать резкие сейсмические границы, он вносит едва уловимые, но всепроникающие эффекты в скорости волн и их трехмерные взаимосвязи.

ЖСК предоставляет сейсмологам основу для согласования температур, состава и аномалий скоростей волн в мантии. Для физиков-минералогов он подчеркивает важность электронной структуры, а геодинамикам указывает на то, что спин электронов может влиять на плавучесть, вязкость и течение. Кроме того, он показывает, что ключевые процессы в недрах Земли могут оставаться скрытыми до тех пор, пока множество дисциплин не объединят свои знания и усилия.

По мере улучшения сейсмического имиджинга и повышения точности моделей физики минералов роль ЖСК в формировании структуры и динамики нижней мантии будет проясняться. Действительно, раскрытие его влияния на такие заметные, но не до конца понятые явления, как крупные области с низкой скоростью сдвига, слой и граница Dʺ, а также зоны стагнации слэбов, является активной областью исследований. Уже сейчас ясно, что ЖСК — это глобальный, охватывающий большие глубины процесс, необходимый для понимания глубоких недр Земли.