Elektronisk spinn-overgang i ferroperiklas i Jordas dype indre

Under høyt trykk dypt nede i Jorda favoriseres kompakte mineraler med små atomer. Dersom de fire "ensomme" elektronene ytterst i jernatomet går sammen to og to, blir atomet mindre. Under lavere trykk er det optimalt at disse fire elektronene holder seg isolert i sin egen "høy-spinn-tilstand" fordi de negative elektron-ladningene da ikke frastøter hverandre så sterkt. Ved høyt trykk, derimot, favoriseres en spinn-paring med to elektroner i hver orbital. En slik paring finner sted i mineralet ferroperiklas dypt nede i Jordas mantel. En internasjonal forskergruppe, ledet av Grace Shephard ved Senter for Jordas utvikling og dynamikk, Universitetet i Oslo, har analysert globale seismiske data og for første gang klart å observere denne spinn-overgangen. Dette gir ny innsikt i mineralfordeling og dynamikk i Jordas dype indre.

Overgangsmetaller kan ha "ensomme" elektroner eller sammenkoblete elektronpar

Jordas nedre mantel, fra en seismisk grenseflate ved 660 km dyp til den ytre kjernegrensen ved 2890 km dyp, domineres av mineralene bridgmanitt (77%) og ferroperiklas (18 %). Jern er et viktig grunnstoff i begge mineralene, men det er kun de fire "ensomme" elektronene i de to-verdige jern-ionene (Fe2+) i ferroperiklas som kan tvinges inn i en lav-spinn-tilstand ved de høye trykkene i Jordas indre. I jern (og andre overgangsmetaller) er noen av elektronene alene i sine "3d-orbitaler" (elektron-områder) i det ytre elektronskallet. Disse ensomme høy-spinn elektronene kan ensrettes slik at jern-ionene, Fe2+ og Fe3+, gir magnetiske egenskaper. Elektron-orbitaler med to lav-spinn-elektroner bidrar ikke til magnetisme.

Figur 1. Forenklet og skjematisk fremstilling av et enkelt atom-lag i ferroperiklas med sammensetning Mg35Fe15O50 eller Mg7Fe3O10. Den generelle formelen for ferroperiklas er (Mg,Fe)O, som indikerer varierende Mg/Fe-forhold. De blå, gule og røde ionene er henholdsvis O2-, Mg2+ og Fe2+ (mørk rødfarge for lav-spinn jern). Høy-spinn, blandet spinn og lav-spinn jern opptrer under henholdsvis lavt, middels og høyt trykk. I intervallet med blandet spinn blir den litt mer åpne og uregelmessige krystallstrukturen svekket og komprimert raskere enn i høy- og lav-spinn-tilstandene. Legg merke til at de mørkerøde lav-spinn Fe2+-ionene her er litt for små for Fe-posisjonene. Svekkelse og høy kompressibilitet mens spinn-overgangen pågår resulterer i lavere hastighet for de seismiske kompresjonsbølgene som passerer gjennom områder med ferroperiklas i blandet spinn-tilstand.
Figur 1. Forenklet og skjematisk fremstilling av et enkelt atom-lag i ferroperiklas med sammensetning Mg35Fe15O50 eller Mg7Fe3O10. Den generelle formelen for ferroperiklas er (Mg,Fe)O, som indikerer varierende Mg/Fe-forhold. De blå, gule og røde ionene er henholdsvis O2-, Mg2+ og Fe2+ (mørk rødfarge for lav-spinn jern). Høy-spinn, blandet spinn og lav-spinn jern opptrer under henholdsvis lavt, middels og høyt trykk. I intervallet med blandet spinn blir den litt mer åpne og uregelmessige krystallstrukturen svekket og komprimert raskere enn i høy- og lav-spinn-tilstandene. Legg merke til at de mørkerøde lav-spinn Fe2+-ionene her er litt for små for Fe-posisjonene. Svekkelse og høy kompressibilitet mens spinn-overgangen pågår resulterer i lavere hastighet for de seismiske kompresjonsbølgene som passerer gjennom områder med ferroperiklas i blandet spinn-tilstand.

Kan seismiske data avsløre spinn-overgangen?

Paring av separate høy-spinn-elektroner til elektronpar med lavt spinn komprimerer Fe2+-ionene i ferroperiklas, som vist i Figur 1. Denne spinn-overgangen foregår gradvis over et dybdeintervall på 300-800 km i Jordas nedre mantel. Som vist i Figur 2a, øker andelen av lav-spinn-ioner med økende dyp (og trykk) i overgangs-intervallet. Fordi mineralstrukturen svekkes og blir mer kompressibel når den inneholder en blanding av store høy-spinn- og små lav-spinn-ioner, vil også hastigheten til de seismiske kompresjons-bølgene (Vp) reduseres i overgangs-intervallet. Hastigheten til skjærbølgene (Vs) påvirkes i liten grad. Det er enten umulig eller svært vanskelig å se Vp-reduksjonen i de ulike gjennomsnitts-profilene for Vp og Vs fra topp til bunn i mantelen.

Shephard et al. klarte likevel å identifisere spinn-overgangen ved hjelp av seismisk tomografi, som er en tredimensjonal avbildning basert på Vp- og Vs-hastighetene av alle jordskjelvbølger som krysser Jordas dype indre i ulike retninger mellom ulike jordskjelv og seismiske målestasjoner. Tilsvarende røntgenstråle-tomografi (CT-scan) benyttes blant annet i medisinsk diagnostikk.

Med utgangspunkt i arealene til høyhastighets- og lavhastighets-områder definert ved Vp- og Vs-avvik fra gjennomsnittet på mange ulike dyp i den nedre mantelen, konstruerte Shephard et al. areal-profilene i Figur 2b og 2c. Ved startpunktene for spinn-overgangen begynner Vp og Vs-arealene å divergere merkbart. Dette er tydeligst i Figur 2b, der høyhastighets-arealene definert av Vp-avvikene synker mens de Vs-definerte arealene øker litt under et dyp på ca. 1500 km. Fordi mineralenes stivhet er høyere ved lav temperatur, svarer høyhastighets-områdene stort sett til regioner med lavere temperaturer enn gjennomsnittet. Som vist i Figur 2c, kreves høyere trykk (større dyp) for å starte spinn-overgangen i lavhastighets-områdene enn i høyhastighets-områdene. Dette er som forventet (Figur 2a), basert på en lang rekke eksperimentelle og teoretiske studier av ferroperiklas i løpet av de siste 18 årene.

Figur 2. (a) Spinn-overgang i ferroperiklas som funksjon av dyp (trykk) og temperatur, basert på en kvantekjemisk beregning. Ulike eksperimentelle og andre kvantekjemiske beregninger gir omtrent tilsvarende resultater. Høy- og lav-spinn-områdene har henholdsvis lys rosa og mørkeblå farge og de mellomliggende fargene viser hvordan andelen av lav-spinn-ioner øker med økende dyp or trykk. (b og c) Andelen av henholdsvis høyhastighets- og lavhastighets-områder, uttrykt ved areal-fraksjon som funksjon av dypet for Vp- of Vs-modellene. Arealene refererer til sammenfall mellom alle de fire Vp- og alle de fire Vs-modellene. Innslagene til spinn-overgangen for kald og varm mantel er markert med ordet "Start".
Figur 2. (a) Spinn-overgang i ferroperiklas som funksjon av dyp (trykk) og temperatur, basert på en kvantekjemisk beregning. Ulike eksperimentelle og andre kvantekjemiske beregninger gir omtrent tilsvarende resultater. Høy- og lav-spinn-områdene har henholdsvis lys rosa og mørkeblå farge og de mellomliggende fargene viser hvordan andelen av lav-spinn-ioner øker med økende dyp or trykk. (b og c) Andelen av henholdsvis høyhastighets- og lavhastighets-områder, uttrykt ved areal-fraksjon som funksjon av dypet for Vp- of Vs-modellene. Arealene refererer til sammenfall mellom alle de fire Vp- og alle de fire Vs-modellene. Innslagene til spinn-overgangen for kald og varm mantel er markert med ordet "Start".

Forbedret analyse av seismiske data

Ulike forskergrupper har utarbeidet sine egne tomografi-modeller for Jordas indre. Shephard et al. vurderte mange av disse modellene og valgte ut fire Vp- og fire Vs-modeller som i stor grad er uavhengige, og som vektlegger ulike jordskjelv-data på litt forskjellige måter. Dermed kunne vi f.eks. fastlegge klare høyhastighets-områder der alle de fire Vp-modellene har positive avvik som overstiger ett standardavvik fra gjennomsnittet. Dersom en følger kriteriet om at det f.eks. er tilstrekkelig at bare tre av Vp-modellene overstiger standardavviket vil det totale volumet av høyhastighets-områdene, og dermed deres totale areal på ulike dyp, bli noe større enn arealene for sammenfall av høyhastighets-områdene i alle de fire modellene.

Slike vurderingsmetoder som kalles "vote-map analysis" på engelsk (kart-sammenfalls-analyser), er en forenklet utgave av klyngeanalyser og gir større sikkerhet for at bestemte høyhastighets- og lavhastighets-områder er reproduserbare mellom ulike tomografi-modeller. Metoden, som er skjematisk forklart i Figur 3, har muliggjort identifiseringen av spinn-overgangen i ferroperiklas i Jordas nedre mantel.

Figur 4 viser vertikalsnitt gjennom mantelen under SØ-Asia og under Afrika for sammenfallende Vp- og Vs-modeller. Snittene viser at Vp-signalene for høyhastighets-avvikene og lavhastighets-avvikene svekkes i dybdeintervallet under henholdsvis 1500 og 1800 km. Dette er i overensstemmelse med Figur 2a og viser at ferroperiklas opptrer både i kaldt mantel-materiale som synker sakte under nåværende og forhenværende subduksjonssoner og i varme mantel-områder som flyter sakte oppover mot overflaten.

Figur 3. Eksempel på gangen i tomografisk kart-analyse av Vp-modeller ved 1000 km dyp i Jordas nedre mantel. Øverst: en enkelt Vp-modell, med blå og røde farger som viser henholdsvis høyhastighets- og lavhastighets-avvik fra gjennomsnittet. Midtre del: arealer med høyhastighets- og lavhastighets-avvik fra gjennomsnittet. Nederst: Kombinasjon med tre andre seismisk tomografimodeller (fire tilsammen) som viser utbredelsen av 0-4 sammenfallende modeller for arealer med høyhastighets- og lavhastighets-avvik (henholdsvis til venstre og til høyre).
Figur 3. Eksempel på gangen i tomografisk kart-analyse av Vp-modeller ved 1000 km dyp i Jordas nedre mantel. Øverst: en enkelt Vp-modell, med blå og røde farger som viser henholdsvis høyhastighets- og lavhastighets-avvik fra gjennomsnittet. Midtre del: arealer med høyhastighets- og lavhastighets-avvik fra gjennomsnittet. Nederst: Kombinasjon med tre andre seismisk tomografimodeller (fire tilsammen) som viser utbredelsen av 0-4 sammenfallende modeller for arealer med høyhastighets- og lavhastighets-avvik (henholdsvis til venstre og til høyre).
Figur 4. Vertikalsnitt gjennom mantelen som viser hvordan områder med høyhastighets-avvik (kalde rester av subduserte havbunnsplater) og lavhastighets-avvik (varme oppstrømsområder) svekkes under henholdsvis 1500 og 1800 km dyp.
Figur 4. Vertikalsnitt gjennom mantelen som viser hvordan områder med høyhastighets-avvik (kalde rester av subduserte havbunnsplater) og lavhastighets-avvik (varme oppstrømsområder) svekkes under henholdsvis 1500 og 1800 km dyp.

Hva betyr dette for Jordas utvikling og dynamikk?

Det er et lite mysterium at vi kan påvise spinn-overgangen i ferroperiklas både i kalde nedstrøms- og varme oppstrøms-områder i den nedre mantelen, samtidig som de gjennomsnittlige en-dimensjonale og globale Vp-profilene nesten ikke viser tegn til spinn-overgangen. Dette kan delvis skyldes dårlig oppløsning i de en-dimensjonale gjennomsnitts-profilene. I tillegg er det sannsynlig at den nedre mantelen inneholder store områder som ikke inneholder ferroperiklas, men er dominert av MgSiO3-rik bridgmanitt.

Bridgmanitt som er Jordas mest utbredte mineral, har også størst stivhet og styrke. Fordi bridgmanitt-dominert materiale derfor har høy viskositet (seighet), klarer ikke de sakte strømningene av faste mantelbergarter å blande dette materialet med resten av mantelen. Det bridgmanitt-dominerte materialet, som har en tetthet tilsvarende den midtre delen av den nedre mantelen, vil trolig samles opp i store domener (dimensjoner på 1000-2000 km) mellom de kalde nedstrøms- og de varme oppstrøms-områdene. Den engelske betegnelsen "bridgmanite-enriched ancient mantle structures, BEAMS" er nylig tatt i bruk for å beskrive slike domener, som er et naturlig produkt fra det tidlige stadiet av magmahav-krystalliseringen, like etter separasjonen av den flytende jern-kjernen fra steinsmelten i mantelen for ca. 4,5 milliarder år siden. Kjemisk utveksling mellom steinsmelte-massene (magmahavet) i den nedre mantelen og den nydannete jern-dominerte kjernen (proto-kjernen) vil også bidra til ekstra store mengder med BEAMS-materiale. Denne erkjennelsen er grunnleggende viktig for vår innsikt i utviklingen av og dynamikken i Jordas indre.

Variasjonsbredden i bølgehastighetene i mesteparten av den nedre mantelen er meget begrenset, og slike ferroperiklas-frie områder mellom kalde nedstrømmer og varme oppstrømmer vil ha hastigheter nær gjennomsnittet. Den manglende seismologiske signaturen gjør det vanskelig å observere BEAMS-områdene direkte. Oppdagelsen av det relativt svake signalet fra spinn-overgangen i ferroperiklas i de kalde høy-hastighetsområdene og de varme lavhastighets-områdene, kombinert med manglende eller et meget svakt signal i globale gjennomsnitts-modeller, er nå vår eneste, og dessverre litt indirekte, geofysiske indikasjon på BEAMS-områdene.

Referanse:

Shephard, G.E., Houser, C., Hernlund, J.W. Valencia-Cardona, J.J., Trønnes, R.G., Wentzcovitch, R.M. Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the Earth’s lower mantle. Nat. Commun. 12, 5905 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26115-z

Interaktiv side for seismisk tomografi: http://www.earth.ox.ac.uk/~smachine/cgi/index.php

Powered by Labrador CMS