Тихая квантовая революция в глубинах Земли

Вячеслав 12 Июл 2026 Наука

На художественной иллюстрации изображены слои земных недр, в том числе мощная нижняя мантия. Изображение предоставлено: iStock.com/johan63

На глубине более 1000 километров давление превышает 1 миллион атмосфер. Температура там выше, чем на поверхности Солнца. В этих условиях горные породы ведут себя необычно. Учёные долго считали, что скорость сейсмических волн зависит от трёх факторов: фазовых переходов минералов, разницы температур и химического состава пород. Однако недавние исследования открыли четвёртый фактор. Им оказался квантовый эффект в поведении электронов атомов железа [1].

Как квантовый эффект возникает внутри Земли

В нижней мантии железо входит в состав двух основных минералов — бриджманита и ферропериклаза. Под давлением электроны в атомах железа меняют своё состояние. Это явление называют спиновым переходом (spin crossover). В высокоспиновом состоянии электроны занимают разные орбитали. В низкоспиновом они спариваются в одной орбитали. В результате ионы железа сжимаются, их объём уменьшается, а кристаллическая решётка деформируется [2].

Этот квантовый эффект начинается на глубине около 1000 километров. Он продолжается до 2000 километров и охватывает большую часть нижней мантии. При этом не происходит разрыва химических связей. Симметрия кристаллов остаётся прежней. Но свойства минералов меняются кардинально [3].

Почему учёные не замечали этого раньше

Спиновый переход влияет на сжимаемость минералов. Это напрямую воздействует на скорость P-волн — продольных сейсмических волн. S-волны (поперечные) почти не чувствуют этого эффекта. В результате на одних и тех же участках мантии P-волны замедляются, а S-волны проходят без изменений. Такое расхождение — ключевая подсказка для исследователей [4].

Раньше этот эффект оставался незамеченным. В одномерных моделях Земли (например, в справочной модели PREM) его не видно. В них сейсмические скорости усреднены по всей планете. Только в трёхмерных моделях сейсмической томографии проявилась характерная картина. P- и S-волны начали расходиться именно в зоне спинового перехода [5].

Как учёные нашли подтверждение

Исследователи из Колумбийского университета, Утрехтского университета и Австралийского национального университета объединили данные минеральной физики и сейсмологии. Они использовали метод «карт голосования» (vote maps). Это подход, при котором сравнивают результаты нескольких независимых томографических моделей. Если все модели показывают одну особенность — она считается реальной [2].

В холодных зонах — погружающихся плитах океанической литосферы — расхождение между P- и S-волнами оказалось особенно заметным. Там ферропериклаза больше, чем в горячих восходящих потоках (плюмах). В горячих областях эффект смещается вниз из-за температурной зависимости спинового перехода [3].

Независимые работы 2021 и 2024 годов подтвердили этот вывод. В них использовали полноволновую томографию — самый точный метод на сегодня. Без учёта спинового перехода модели давали нереалистично низкие температуры и экстремальный состав мантии. С его учётом все данные сошлись [6].

Что это значит для геологии

Открытие меняет представления о работе мантии. Спиновый переход влияет на вязкость пород и их плотность. В зоне перехода ферропериклаз уплотняется быстрее. Это усиливает конвекцию и ускоряет движение плит [7].

Учёные теперь пересматривают причины многих явлений. Например, зоны затухания плит на глубине 1000–1500 километров. Или гигантские области низкой сейсмической скорости в нижней мантии. Возможно, их объяснение кроется не в химии, а в квантовой физике [8].

Авторы исследования подчёркивают: спиновый переход — это не резкая граница. Он действует как диффузный фон, пронизывающий всю нижнюю мантию. Его не видно в одномерных моделях, но он критически важен для трёхмерной картины Земли. Это один из самых ярких примеров того, как квантовые эффекты управляют планетарными процессами [9].