Породы земной мантии могут обладать магнитными свойствами

До последнего времени считалось, что мантия, в отличие от земного ядра и земной коры, не принимает участие в формировании геомагнитного поля, так как механизм магнитного динамо в ней действовать не может в связи с отсутствием металлов в жидком состоянии, а ферромагнитные минералы в мантийных условиях теряют свои магнитные свойства. Результаты недавних экспериментальных исследований показали, что ферромагнитный минерал гематит, присутствующий в составе литосферных плит, погружающихся в мантию, может сохранять свои магнитные свойства вплоть до глубин переходной зоны мантии (410–660 км). А значит, по крайней мере верхняя мантия может обладать определенными магнитными свойствами, и ее влияние также надо учитывать при интерпретации магнитных наблюдений.

Рис. 1. Измененный (окисленный) перидотит, содержащий в качестве продукта окисления большое количество гематита (оранжево-бурого цвета). Фото с сайта sandatlas.org

Магнитное поле нашей планеты, по нынешним представлениям, в основном порождается электрическими токами, возникающими из-за конвекции жидких металлов внешнего ядра, — это так называемое главное магнитное поле Земли. По своей конфигурации оно близко к полю магнитного диполя, то есть имеет такой вид, будто земной шар — это полосовой магнит, ось которого направлена приблизительно с севера на юг. Вблизи поверхности силовые линии поля Земли могут отклоняться от линий идеального диполя из-за местных магнитных аномалий, которые возникают из-за наличия в земной коре ферромагнитных минералов (ферромагнетиков).

Ферромагнетики способны усиливать магнитное поле, в котором они находятся, а также сохранять остаточную намагниченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Однако для каждого ферромагнетика есть критическая температура — точка Кюри, выше которой он теряет свои ферромагнитные свойства. Рекордсмен — кобальт с точкой Кюри 1388 K. У оксидов железа при атмосферном давлении точка Кюри находится около 858 K. Так как температура верхней мантии довольно быстро достигает 1000 K и продолжает расти с глубиной, долгое время геофизики считали, что в мантии ферромагнитных минералов быть не может, а значит, она не принимает участия в формировании геомагнитного поля (ведь жидких металлов в ней тоже нет).

Надежно подтвердить или опровергнуть это мнение было достаточно сложно, так как давление также влияет на температуру магнитных фазовых переходов ферромагнетиков, а воссоздать одновременно мантийные параметры температуры и давления в лабораторных условия — да еще при этом параллельно фиксировать изменения магнитного состояния материала — до последнего времени технически не представлялось возможным.

Несмотря на то, что многие геофизики склонялись к принятию гипотезы о магнитной инертности мантии, ряд фактов свидетельствует о том, что породы мантии все-таки обладают магнитными свойствами и оказывают влияние на общую картину магнитного поля Земли. В частности, многие аномалии геомагнитного поля, выявленные в результате аэромагнитных наблюдений и наблюдений за магнитным полем Земли из космоса, сложно объяснить магнитными свойствами одних только пород коры. Определенные ферромагнитные свойства обнаруживаются и у мантийных ксенолитов — фрагментов глубинных пород, вынесенных на поверхность магматическими расплавами. Для окончательного разрешения этой геофизической дилеммы необходимо было понять, какой из ферромагнитных минералов может сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и давлениях (РТ-условия), присущих мантии, и каков генезис этого минерала.

Международная группа исследователей из Германии, Франции и США, изучавшая в свое время структурные особенности оксида железа Fe2O3 при различных давлениях и температурах (E. Bykova et al., 2016. Structural complexity of simple Fe2O3 at high pressures and temperatures), предположила тогда, что единственным потенциальным источником магнитных аномалий на мантийных глубинах может быть одна из полиморфных разновидностей оксида железа (III), так как эти соединения обладают достаточно высокими значениями критических температур.

В поверхностных условиях оксид железа (III) представлен в форме гематита (α-Fe2O3). Этот минерал широко распространен как в континентальных горных породах, так и в породах океанической коры. При поверхностном изменении базальтов, слагающих верхний (не считая осадочного) слой океанической коры, а также при серпентинизации (окислении) плутонических пород основного и ультраосновного состава, образующих основание океанической коры (ее нижний слой), высвобождающееся железо сначала связывается в магнетите (Fe3O4), который при дальнейшем окислении переходит в гематит (рис. 1). В составе океанических плит, погружающихся в зонах субдукции, гематит попадает в мантию.

В новом исследовании ученые из той же научной группы (в несколько измененном составе) под руководством Ильи Купенко (Ilya Kupenko) из Мюнстерского университета (Германия) экспериментально доказала, что гематит может сохранять свои магнитные свойства даже в глубинах земной мантии. Результаты исследования недавно опубликованы в журнале Nature.

Используя так называемую ячейку с алмазными наковальнями, ученые сжимали микрометрические образцы искусственно синтезированного α-Fe2O3 до давления 90 ГПа (что примерно соответствует глубинам 2000 км) и нагревали их с помощью лазеров до температуры 1300 K.

Одновременно с помощью мёссбауэровской спектроскопии измерялись магнитные свойства вещества. Исследование проводилось на синхротроне ESRF в Гренобле (Франция). Общая схема эксперимента приведена на рис. 2.

Рис. 2. Общая схема эксперимента. Справа — ячейка с магнитными наковальнями и лазерные установки, нагревающие образцы α-Fe2O3. Слева — схема магнитного поля Земли и положение участка в мантии, РТ-условия которого были воссозданы в результате эксперимента. Рисунок с сайта uni-muenster.de

Известно (F. van der Woude, 1966. Mössbauer Effect in α‐Fe2O3), что при РТ-условиях, примерно отвечающих границе между верхней и нижней мантией (глубина около 660 км) α-Fe2O3 переходит в другую полиморфную модификацию ι-Fe2O3, уже не обладающую при таких условиях магнитными свойствами. Но как меняются магнитные свойства α-Fe2O3 до этих глубин, раньше не было известно.

Рис. 3. Магнитная фазовая диаграмма для α-Fe2O3 (голубая область) и ι-Fe2O3 (зеленая область). Тонкие прямые линии — границы магнитных фазовых переходов, проведенные по результатам описываемого эксперимента: РМ — парамагнитная фаза; AFM — антиферромагнитная фаза; cAFM — антиферромагнитная фаза со спиновым вращением; М — неопределенное магнитное состояние. Цветными линиями показаны РТ-профили для различных субдуцирующих литосферных плит: красный — северная часть Южно-Американской плиты в районе Малых Антильских островов; голубой — плита Соломонова моря; синий — плита Тонга. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Проведенное исследование позволило провести границы магнитных фазовых переходов на РТ-диаграмме для α-Fe2O3 и ι- Fe2O3 (рис. 3). В результате выяснилось, что гематит (α-Fe2O3) сохраняет свои ферромагнитные свойства вплоть до температур 950–1200 K (в зависимости от давления).

Это значит, что в «холодных» (когда температура медленно нарастает с глубиной) субдуцирующих плитах, таких как плита Тонга или плита Соломонова моря, гематит сохранит свои ферромагнитные свойства до самой границы между верхней и нижней мантией (которая проходит на глубине примерно 660 км), а в «горячих» (где температура с глубиной растет быстро) плитах вроде северной части Южно-Американской плиты — по крайней мере до верхней границы переходной зоны мантии (410 км). Графики изменения температуры погружающихся плит с глубиной авторы исследования получали путем вычислений, главными параметрами которых были температура астеносферы в зоне субдукции, теплоемкость плиты и глубина погружения, взятые из глобальной термальной модели зон субдукции (E. Syracuse et al., 2010. The global range of subduction zone thermal models).

Полученные результаты позволяют по-новому объяснить природу крупной линейной магнитной аномалии, протягивающейся вдоль всей западной окраины Тихого океана. Ранее эту аномалию интерпретировали как след миграции магнитных полюсов Земли в период одной из последних инверсий магнитного полюса Земли. Теперь же понятно, что скорее всего она связана с субдуцирующими плитами, расположенными на глубинах до 300–600 км под зафиксированными аномалиями (рис. 4).

Рис. 4. Предположительные положения магнитных полюсов за последние 11 млн лет (красные точки). Видно, что цепочка «палеомагнитных полюсов» вдоль западной окраины Тихого океана практически совпадает с глубинным положением субдуцирующих плит, фиксируемым по положительным аномалиям скоростей прохождения продольных сейсмических волн (показаны оттенками синего) на глубине около 500 км. Зелеными звездочками показаны зоны ферромагнитной стабильности гематита на той же глубине (по результатам обсуждаемого исследования). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Возможно, что и цепочка «палеомагнитных полюсов» вдоль восточной окраины Тихого океана является не отражением путей миграции полюсов во время инверсий, а также фиксирует магнитные аномалии, связанные с погружающимися под американские континенты океаническими плитами.

Информация о том, что мантия до глубин переходной зоны может содержать магнитные минералы и обладать остаточной намагниченностью, поможет геофизикам правильнее интерпретировать не только современные магнитные наблюдения, но и палеомагнитные данные, с помощью которых ученые восстанавливают историю изменений магнитного поля Земли в различные периоды геологической истории.

Владислав Стрекопытов