Системы Fe -- C и Fe - H при давлениях внутреннего ядра Земли

З.Г. Бажанова^а, А.Р. Оганов^б, О. Джанола^в
^аНаучно-исследовательский вычислительный центр Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы 1, стр. 4, Москва, 119991, Российская Федерация
^бDepartment of Geosciences and Department of Physics and Astronomy, Stony Brook University, Stony Brook, New York, USA
^вInstitut für Geochemie und Petrologie, Department of Earth Sciences, ETH Zürich, Clausiusstrasse 25, 8092, Zürich, Switzerland

Твёрдое внутреннее ядро Земли состоит из сплава железа, никеля и более лёгких элементов, из которых наиболее вероятными являются Si, S, O, H и C. Для определения химического состава внутреннего ядра необходимо установить диапазоны возможных составов, которые могли бы объяснять его наблюдаемые свойства. В последнее время возросло число публикаций, в которых в качестве возможных лёгких элементов ядра рассматриваются С и Н, но результаты этих исследований весьма противоречивы. Настоящая статья посвящена теоретическому исследованию систем Fe — C и Fe — H при давлениях внутреннего ядра Земли (330 — 364 ГПа) на основе первопринципных расчётов. С помощью эволюционного алгоритма USPEX предсказаны структуры всех возможных карбидов (FeC, Fe₂C, Fe₃C, Fe₄C, FeC₂, FeC₃, FeC₄, Fe₇C₃) и гидридов (Fe₄H, Fe₃H, Fe₂H, FeH, FeH₂, FeH₃, FeH₄) с минимальной энтальпией. Установлено, что при давлениях внутреннего ядра Fe₂C (пространственная группа Pnma) является наиболее стабильным карбидом, а FeH, FeH₃ и FeH₄ представляют собой наиболее стабильные гидриды. Для Fe₃C при этих условиях структура цементита (пространственная группа Pnma) и недавно найденная методом случайной выборки структура Cmcm оказались менее устойчивыми, чем предсказанные нами структуры с пространственными группами I-4 и C2/m. Обнаружено, что FeH₃ и FeH₄ образуют интересные с точки зрения кристаллохимии термодинамически устойчивые структуры, в которых железо трёхвалентно. Плотность ядра при релевантных значениях давления и температуры хорошо согласуется с таковой для сплава железа с разумным содержанием углерода: 11 — 15 молярных (2,6 — 3,7 весовых) процентов, что даёт верхний предел содержания C во внутреннем ядре. Полученные значения, характерные для углистых хондритов СI, соответствуют средней атомной массе в диапазоне 49,3 — 51,0, что хорошо согласуется с выводами из закона Бёрча для внутреннего ядра. Полученные аналогичным образом верхние оценки содержания H нереалистично велики: 17 — 22 молярных (0,4 — 0,5 весовых) процентов, что соответствует средней атомной массе ядра 43,8 — 46,5. Углерод является более вероятным, чем водород, лёгким элементом внутреннего ядра.

Текст pdf (1,7 Мб)

Скачивая файл я соглашаюсь с условиями использования.

English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.0182.201205c.0521

PACS: 61.50.Ah, 61.50.Ks, 61.50.Nw, 61.66.Fn, 64.30.−t, 91.60.Fe (все)
DOI: 10.3367/UFNr.0182.201205c.0521
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2012/5/c/
Web of Science

000307559000003
Scopus

2-s2.0-84864990959
ADS NASA

2012PhyU...55..489B
Цитата: Бажанова З Г, Оганов А Р, Джанола О "Системы Fe — C и Fe — H при давлениях внутреннего ядра Земли" УФН 182 521–530 (2012)

BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Русский

English

@article{Bazhanova:2012,
	author = {Z. G. Bazhanova and A. R. Oganov and O. Gianola},
	title = {Fe - C and Fe - H systems at pressures of the Earth's inner core},
	publisher = {Uspekhi Fizicheskikh Nauk},
	year = {2012},
	journal = {Usp. Fiz. Nauk},
	volume = {182},
	number = {5},
	pages = {521-530},
	url = {https://ufn.ru/ru/articles/2012/5/c/},
	doi = {10.3367/UFNr.0182.201205c.0521}
}

Поступила: 13 декабря 2011, доработана: 22 февраля 2012, одобрена в печать: 17 февраля 2012

English citation: Bazhanova Z G, Oganov A R, Gianola O “Fe — C and Fe — H systems at pressures of the Earth’s inner core” Phys. Usp. 55 489–497 (2012); DOI: 10.3367/UFNe.0182.201205c.0521