RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 12, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2012

 / 

Май

←  →

Из текущей литературы


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

 а,  б,  в
а Научно-исследовательский вычислительный центр Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Ленинские горы 1, стр. 4, Москва, 119991, Российская Федерация
б Department of Geosciences and Department of Physics and Astronomy, Stony Brook University, Stony Brook, New York, USA
в Institut 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)
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/
000307559000003
2-s2.0-84864990959
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

Поступила: 13 декабря 2011, доработана: 22 февраля 2012, 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

Список литературы (72) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (79) Похожие статьи (7)

  1. Birch F J. Geophys. Res. 69 4377 (1964)
  2. Stevenson D J Science 214 611 (1981)
  3. Jeanloz R Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 18 357 (1990)
  4. Birch F J. Geophys. Res. 57 227 (1952)
  5. Poirier J-P Introduction to the Physics of the Earth's Interior 2nd ed. (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2000)
  6. Buchwald V F Handbook of Iron Meteorites, Their History, Distribution, Composition, and Structure Vol. 1 (Berkeley, Calif.: Univ. of California Press, 1975)
  7. Jephcoat A, Olson P Nature 325 332 (1987)
  8. Poirier J-P Phys. Earth Planet. Int. 85 319 (1994)
  9. Wood B J Earth Planet. Sci. Lett. 117 593 (1993)
  10. Tingle T N Chem. Geol. 147 3 (1998)
  11. Hirayama Y, Fujii T, Kurita K Geophys. Res. Lett. 20 2095 (1993)
  12. McDonough W F Treatise on Geochemistry Vol. 2 (Ed. R W Carlson) (Amsterdam: Elsevier, 2003) p. 547
  13. Hillgren V J, Gessmann C K, Li J Origin of the Earth and Moon (Eds R M Canup, K Righter) (Tucson: Univ. of Arizona Press, 2000) p. 245
  14. Anisichkin V F Combust. Explosion Shock Waves 36 516 (2000)
  15. Huang L et al. Geophys. Res. Lett. 32 L21314 (2005)
  16. Oganov A R et al. Earth Planet. Sci. Lett. 273 38 (2008)
  17. Tateno S et al. Science 330 359 (2010)
  18. Li J et al. Phys. Chem. Minerals 29 166 (2002)
  19. Scott H, Williams Q, Knittle E Geophys. Res. Lett. 28 1875 (2001)
  20. Vočadlo L et al. Earth Planet. Sci. Lett. 203 567 (2002)
  21. Lin J-F et al. Phys. Rev. B 70 212405 (2004)
  22. Sata N et al. J. Geophys. Res. 115 B09204 (2010)
  23. Nakajima Y et al. Phys. Earth Planet. Inter. 174 202 (2009)
  24. Fiquet G et al. Phys. Earth Planet. Inter. 172 125 (2009)
  25. Gao L et al. Geophys. Res. Lett. 35 L17306 (2008)
  26. Rouquette J et al. Appl. Phys. Lett. 92 121912 (2008)
  27. Lord O T et al. Earth Planet. Sci. Lett. 284 157 (2009)
  28. Nakajima Y et al. Am. Mineral. 96 1158 (2011)
  29. Mookherjee M et al. J. Geophys. Res. 116 B04201 (2011)
  30. Weerasinghe G L, Needs R J, Pickard C J Phys. Rev. B 84 174110 (2011)
  31. Freeman C M et al. J. Mater. Chem. 3 531 (1993)
  32. Fukai Y et al. Jpn. J. Appl. Phys. 318 (1982)
  33. Badding J V, Mao H K, Hemley R J High-Pressure Research (Geophysical Monograph Ser.) Vol. 67 (Eds Y Syono, M H Manghnani) (Washington, DC: Terra Sci. Publ. Co./American Geophysical Union, 1992) p. 363
  34. Badding J V, Hemley R J, Mao H K Science 253 421 (1991)
  35. Yamakata M et al. Proc. Jpn. Acad. B 68 172 (1992)
  36. Fukai Y, Yamakata M, Yagi T Z. Phys. Chem. N.F. 179 119 (1993)
  37. Hirao N et al. Geophys. Res. Lett. 31 L06616 (2004)
  38. Isaev E I et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104 9168 (2007)
  39. Skorodumova N V, Ahuja R, Johansson B Geophys. Res. Lett. 31 L08601 (2004)
  40. Fukai Y Nature 308 174 (1984)
  41. Mao W L et al. Geophys. Res. Lett. 31 L15618 (2004)
  42. Elsässer C et al. J. Phys. Condens. Matter 10 5113 (1998)
  43. Stevenson D J Nature 268 130 (1977)
  44. Yagi T, Hishinuma T Geophys. Res. Lett. 22 1933 (1995)
  45. Okuchi T Science 278 1781 (1997)
  46. Narygina O et al. Earth Planet. Sci. Lett. 307 409 (2011)
  47. Oganov A R, Glass C W J. Chem. Phys. 124 244704 (2006)
  48. Glass C W, Oganov A R, Hansen N Comput. Phys. Commun. 175 713 (2006)
  49. Lyakhov A O, Oganov A R, Valle M Comput. Phys. Commun. 181 1623 (2010)
  50. Oganov A R, Lyakhov A O, Valle M Acct. Chem. Res. 44 227 (2011)
  51. Hohenberg P, Kohn W Phys. Rev. 136 B864 (1964)
  52. Kohn W, Sham L J Phys. Rev. 140 A1133 (1965)
  53. Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M Phys. Rev. Lett. 77 3865 (1996)
  54. Hemley R J, Mao H K Int. Geol. Rev. 43 1 (2001)
  55. Ma Y et al. Phys. Earth Planet. Inter. 143-144 455 (2004)
  56. Pickard C J, Needs R J Nature Phys. 3 473 (2007)
  57. Blöchl P E Phys. Rev. B 50 17953 (1994)
  58. Kresse G, Joubert D Phys. Rev. B 59 1758 (1999)
  59. Kresse G, Furthmüller J Phys. Rev. B 54 11169 (1996)
  60. Methfessel M, Paxton A T Phys. Rev. B 40 3616 (1989)
  61. Brown I D Acta Cryst. B 48 553 (1992)
  62. Zurek E et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 106 17640 (2009)
  63. Gao G et al. Phys. Rev. Lett. 101 107002 (2008)
  64. Gao G et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 1317 (2010)
  65. Alfè D et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 360 1227 (2002)
  66. Dewaele A et al. Phys. Rev. Lett. 97 215504 (2006)
  67. Occelli F, Loubeyre P, LeToullec R Nature Mater. 2 151 (2003)
  68. Dziewonski A M, Anderson D L Phys. Earth Planet. Inter. 25 297 (1981)
  69. Oganov A R, Brodholt J P, Price G D Earth Planet. Sci. Lett. 184 555 (2001)
  70. Alfè D, Kresse G, Gillan M J Phys. Rev. B 61 132 (2000)
  71. Alfè D, Gillan M J, Price G D Earth Planet. Sci. Lett. 195 91 (2002)
  72. Zhang F, Oganov A R Geophys. Res. Lett. 37 L02305 (2010)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение