|
Внутреннее ядро Земли может быть богато кислородом
|
|
|
|
Кислород является ключевым веществом для жизни и одним из самых распространенных элементов на Земле. Однако до сих пор неизвестно, присутствует ли кислород (и в какой форме он может существовать) во внутреннем ядре, которое состоит из почти чистого железа и где преобладают условия экстремально высокого давления и температуры. Ученые под руководством доктора Цзинь Лю из HPSTAR (Центр передовых исследований науки и технологий в области высоких давлений) и доктора Ян Сун из Колумбийского университета обнаружили, что сплавы Fe–O, богатые железом, стабильны при экстремальных давлениях почти 300 ГПа и высоких. температуры более 3000 К.
|
|
|
|
Результаты, опубликованные в журнале The Innovation, доказывают, что кислород может существовать в твердом внутреннем ядре, что создает ключевые ограничения для дальнейшего понимания процесса формирования и истории эволюции ядра Земли. Твердое внутреннее ядро Земли, как одно из самых загадочных мест на планете, находится в самой экстремальной по температуре и давлению среде на Земле, с давлением более 3 миллионов атмосфер и температурой, близкой к поверхности Солнца, около 6000 К.
|
|
|
Поскольку внутреннее ядро находится далеко за пределами досягаемости человека, мы можем сделать вывод о его плотности и химическом составе только по сейсмическим сигналам, генерируемым землетрясениями. В настоящее время считается, что легкие элементы существуют во внутреннем ядре, но вопрос о типе и содержании до сих пор остается спорным. Космохимические и геохимические данные свидетельствуют о том, что он должен содержать серу, кремний, углерод и водород. Эксперименты и расчеты также подтвердили, что эти элементы смешиваются с чистым железом с образованием различных сплавов Fe при высоких температурах и условиях высокого давления недр Земли.
|
|
|
|
Однако кислород обычно исключается из внутреннего ядра. В основном это связано с тем, что сплавы Fe–O с богатым железом составом никогда не обнаруживались на поверхности или в мантийной среде. Содержание кислорода во всех известных оксидах железа больше или равно 50 атомным процентам. Хотя люди пытались синтезировать соединения оксида железа с составом, богатым железом, такие вещества еще не были найдены. Является ли внутреннее ядро Земли таким «бескислородным»? Для ответа на этот вопрос в данной работе был проведен ряд экспериментов и теоретических расчетов.
|
|
|
|
Чтобы приблизиться к температуре и давлению ядра Земли, чистое железо и оксид железа были помещены на кончики двух алмазных наковален и нагреты высокоэнергетическим лазерным лучом. После многих попыток было обнаружено, что химическая реакция между железом и оксидом железа происходит выше 220–260 ГПа и 3000 К. Результаты РФА показывают, что продукт реакции отличается от обычной высокотемпературной и высокобарической структуры чистого железа. и оксид железа.
|
|
|
|
Теоретический поиск кристаллической структуры с использованием генетического алгоритма доказал, что богатый железом сплав Fe-O может стабильно существовать при давлении около 200 ГПа. В таких условиях новые сплавы Fe–O с высоким содержанием железа образуют гексагональную плотноупакованную структуру, в которой кислородные слои расположены между слоями Fe для стабилизации структуры. Такой механизм создает множество плотноупакованных структур, образующих большое семейство богатых железом соединений Fe–O с большой конфигурационной энтропией.
|
|
|
|
На основе этой теоретической информации было обнаружено, что атомная конфигурация Fe28O14 соответствует экспериментально измеренной рентгенограмме. Дальнейшие расчеты показали, что богатые железом фазы Fe–O являются металлическими, в отличие от обычных оксидов железа при низких давлениях. Электронная структура зависит от концентрации O и расположения слоев Fe и O. Механические свойства и термические свойства сплава нуждаются в дальнейшем изучении в будущем.
|
|
|
|
Источник
|
