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)Medline

RefWorks

Русский

English

RT Journal
T1 Fe - C and Fe - H systems at pressures of the Earth's inner core
A1 Bazhanova,Z.G.
A1 Oganov,A.R.
A1 Gianola,O.
PB Uspekhi Fizicheskikh Nauk
PY 2012
FD 10 May, 2012
JF Uspekhi Fizicheskikh Nauk
JO Usp. Fiz. Nauk
VO 182
IS 5
SP 521-530
DO 10.3367/UFNr.0182.201205c.0521
LK https://ufn.ru/ru/articles/2012/5/c/

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