Поведение системы Fe—S при высоких давлениях и состав ядра Земли

З.Г. Бажанова^а, В.В. Ройзен^б, А.Р. Оганов^в, б, а
^аМосковский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Воробьевы горы, Москва, 119991, Российская Федерация
^бМосковский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет), Институтский пер. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141701, Российская Федерация
^вСколковский институт науки и технологий, Территория Инновационного Центра Сколково , Большой бульвар 30, стр.1, Москва, 121205, Российская Федерация

С помощью метода предсказания кристаллических структур USPEX определены термодинамически стабильные составы и кристаллические структуры соединений в системе Fe—S в диапазоне давлений 100—400 ГПа. Обнаружено, что при давлениях, характерных для внутреннего ядра Земли (330—364 ГПа), стабильны только два соединения: Fe₂S и FeS. При этом только Fe₂S может существовать в равновесии с железом во внутреннем ядре. На основе расчёта уравнения состояния Fe₂S показано, что плотность внутреннего ядра достигается, если внутреннее ядро содержит 10,6—13,7 мол.% (6,4—8,4 мас.%) серы. Аналогичные расчёты для FeSi, единственного стабильного при этом давлении силицида железа, позволяют воспроизвести плотность внутреннего ядра Земли при 9,0—11,8 мол.% (4,8—6,3 мас.%) кремния. Обе оценки дают фактически одинаковую среднюю атомную массу $\bar M$ в диапазоне 52,6—53,3, что значительно выше величины $\bar M$ =49,3, выведенной для внутреннего ядра из закона Бёрча. В случае кислорода (учитывая, что в условиях ядра в равновесии с железом может существовать субоксид Fe₂O) плотность внутреннего ядра можно объяснить содержанием 13,2—17,2 мол.% (4,2—5,6 мас.%) кислорода, что соответствует $\bar M$ в диапазоне 49,0—50,6. Мы определили четыре наиболее простые модели состава внутреннего ядра, воспроизводящие его плотность и $\bar M$: 1) 86 мол.% (Fe+Ni)+14 мол.% C; 2) 84 мол.% (Fe+Ni)+16 мол.% O; 3) 84 мол.% (Fe+Ni)+7 мол.% S+9 мол.% H; 4) 85 мол.% (Fe+Ni)+6 мол.% Si+9 мол.% H.

Текст pdf (764 Кб)

Скачивая файл я соглашаюсь с условиями использования.

English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2017.03.038079

Ключевые слова: предсказание кристаллических структур, ab initio расчёты, эволюционные алгоритмы, физика минералов
PACS: 61.50.Ah, 61.50.Ks, 61.50.Nw, 61.66.Fn, 64.30.−t, 91.60.Fe (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2017.03.038079
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2017/10/d/
Web of Science

000419110600004
Scopus

2-s2.0-85040925889
Цитата: Бажанова З Г, Ройзен В В, Оганов А Р "Поведение системы Fe—S при высоких давлениях и состав ядра Земли" УФН 187 1105–1113 (2017)

BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Русский

English

@article{Bazhanova:2017,
	author = {Z. G. Bazhanova and V. V. Roizen and A. R. Oganov},
	title = {High-pressure behavior of the Fe—S system and composition of the Earth's inner core},
	publisher = {Uspekhi Fizicheskikh Nauk},
	year = {2017},
	journal = {Usp. Fiz. Nauk},
	volume = {187},
	number = {10},
	pages = {1105-1113},
	url = {https://ufn.ru/ru/articles/2017/10/d/},
	doi = {10.3367/UFNr.2017.03.038079}
}

Поступила: 6 февраля 2017, доработана: 21 февраля 2017, одобрена в печать: 2 марта 2017

English citation: Bazhanova Z G, Roizen V V, Oganov A R “High-pressure behavior of the Fe—S system and composition of the Earth's inner core” Phys. Usp. 60 1025–1032 (2017); DOI: 10.3367/UFNe.2017.03.038079