|
Внутреннее ядро Земли имеет слоистую структуру
|
|
|
|
Международная исследовательская группа, возможно, нашла объяснение сейсмическим аномалиям - заметным отклонениям в поведении сейсмических волн - во внутреннем ядре Земли. Команда, возглавляемая учеными из Мюнстерского университета и состоящая из сотрудников Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Лилльского университета и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF), смоделировала условия высокого давления и температуры в глубоких недрах Земли. Они изучали пластично-упругое поведение кремния и углеродистых сплавов железа с помощью источника света PETRA III в DESY в Гамбурге.
|
|
|
|
Результаты этих экспериментов, если их экстраполировать на условия внутреннего ядра Земли, показывают, что образование слоев, напоминающих луковицу, вызванное добавлением углерод-кремниевой смеси к чистому железу, может объяснить сейсмические аномалии, обнаруженные в ядре Земли. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Nature Communications.
|
|
|
|
Состав ядра Земли и сейсмические аномалии
|
|
|
|
Ядро Земли преимущественно состоит из железа. Однако в ядре также присутствуют небольшие концентрации более легких элементов, образующих сплавы железа, таких как кремний, углерод и кислород. В то время как внешнее ядро является жидким, внутреннее ядро твердое и, как полагают, состоит из сплавов железа.
|
|
|
|
|
|
|
Сейсмологи наблюдали во внутреннем ядре, что звуковые волны сжатия, которые возникают в результате таких событий, как землетрясения, распространяются параллельно оси вращения Земли на 3-4% быстрее, чем те, которые распространяются в экваториальной плоскости. Эти аномалии скорости сейсмических волн, называемые анизотропией, имеют разную величину при сравнении внешней и внутренней частей внутреннего ядра.
|
|
|
|
"Было выдвинуто несколько гипотез о происхождении этих анизотропий", - утверждает профессор Дж. Кармен Санчес-Валле из Института минералогии Мюнстерского университета.
|
|
|
|
Возможным объяснением этого является возникновение явления, называемого предпочтительной ориентацией в кристаллической решетке (LPO), при котором кристаллы сплавов меняют ориентацию из-за особенностей тепловой конвекции или собственного предпочтительного роста.
|
|
Экспериментальный подход к изучению сплавов железа
|
|
|
|
"К сожалению, существует очень мало экспериментальных данных о том, как может выглядеть такое ПОЛ в железном ядре Земли, и нет данных о ПОЛ в смесях сплавов железа, кремния и углерода. Таким образом, мы задались целью изучить совместное влияние кремния и углерода на деформационные свойства железа", - говорит Санчес-Валле.
|
|
|
|
Чтобы изучить деформационные свойства железных сплавов, команда во главе с Санчесом-Валле и руководителем группы Ильей Купенко синтезировали сплавы железо-кремний-углерод. На испытательном стенде Extreme Conditions Science beamline P02.2 в PETRA III команда ученых поместила сплавы в устройство для создания экстремальных состояний, называемое алмазной ячейкой-наковальней, которая состоит из двух расположенных друг напротив друга алмазов со сплющенными концами, которые сжимают образец до чрезвычайного давления и высоких температур.
|
|
|
|
Для этого эксперимента сплав был сначала сжат, затем нагрет до температуры более 820°C, а затем дополнительно сжат до давления, примерно в миллион раз превышающего атмосферное.
|
|
|
|
Результаты рентгеноструктурного анализа и их применение
|
|
|
|
В ходе рентгеноструктурного анализа на PETRA III ученые обнаружили, что при сжатии поликристаллического железного сплава в образце образуется ПОЛ.
|
|
|
|
"Мы смогли расшифровать LPO с помощью дифракции рентгеновских лучей перпендикулярно оси сжатия", - объясняет первый автор Ефим Колесников, который на момент проведения эксперимента был докторантом Мюнстерского университета.
|
|
|
|
Используемый при исследовании образца рентгеновский метод, известный как радиальная дифракция, был широко разработан в P02.2.
|
|
|
|
"После эксперимента были проанализированы дифракционные картины для определения пластических свойств — в частности, предела текучести и вязкости — сплавов железо–кремний–углерод, которые затем были смоделированы с помощью теории, чтобы экстраполировать их на внутренние условия ядра", - говорит Колесников.
|
|
|
|
Основываясь на свойствах пластичности, команда рассчитала разницу между скоростями звука при сжатии в сплаве железо–кремний–углерод в условиях внутренней оболочки и сравнила их с показателями чистого железа. Результат: различия в анизотропии могут быть связаны с градиентом состава, поскольку процентное содержание железа увеличивается с увеличением глубины залегания керна.
|
|
|
|
"Это соответствует различной анизотропии скоростей, наблюдаемой в сейсмических профилях", - говорит руководитель группы Купенко.
|
|
|
|
Источник
|
