RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 4, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2017

 / 

Октябрь

←  →

Методические заметки


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

 а,  б,  в, б, а
а Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Воробьевы горы, Москва, 119991, Российская Федерация
б Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Институтский пер. 9, Долгопрудный, Московская обл., 141701, Российская Федерация
в Сколковский 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)
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/
000419110600004
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

Поступила: 6 февраля 2017, доработана: 21 февраля 2017, 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

Список литературы (72) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (23) Похожие статьи (20)

  1. Birch F J. Geophys. Res. 69 4377 (1964)
  2. Birch F J. Geophys. Res. 57 227 (1952)
  3. Poirier J-P Introduction to the Physics of the Earth's Interior 2nd ed. (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2000)
  4. Бажанова З Г, Оганов А Р, Джанола О УФН 182 521 (2012); Bazhanova Z G, Oganov A R, Gianola O Phys. Usp. 55 489 (2012)
  5. Li J et al. Earth Planet. Sci. Lett. 193 509 (2001)
  6. Chen B et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104 9162 (2007)
  7. Alfè D, Gillan M J, Price G D Earth Planet. Sci. Lett. 195 91 (2002)
  8. Badro J, Cĉt;eacute; A S, Brodholt J P Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 7542 (2014)
  9. Hirose K, Labrosse S, Hernlund J Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 41 657 (2013)
  10. Saxena S, Eriksson G Calphad 51 202 (2015)
  11. Akahama Y, Kobayashi M, Kawamura H Phys. Rev. B 48 6862 (1993)
  12. Luo H, Greene R G, Ruoff A L Phys. Rev. Lett. 71 2943 (1993)
  13. Degtyareva O et al. High Pressure Res. 25 17 (2005)
  14. Zakharov O, Cohen M L Phys. Rev. B 52 12572 (1995)
  15. Rudin S P, Liu A Y Phys. Rev. Lett. 83 3049 (1999)
  16. Mao H-K, Bassett W A, Takahashi T J. Appl. Phys. 38 272 (1967)
  17. Vočadlo L et al. Phys. Earth Planet. Inter. 117 123 (2000)
  18. Steinle-Neumann G, Stixrude L, Cohen R E Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101 33 (2004)
  19. Saxena S K, Dubrovinsky L S, H&lauml;ggkvist P Geophys. Res. Lett. 23 2441 (1996)
  20. Andrault et al. Science 278 831 (1997)
  21. Belonoshko A B, Ahuja R, Johansson B Nature 424 1032 (2003)
  22. Belonoshko A B et al. Phys. Rev. B 74 214102 (2006)
  23. Gorbatov O I et al. J. Nucl. Mater. 419 248 (2011)
  24. Stixrude L, Cohen R E Geophys. Res. Lett. 22 125 (1995)
  25. Vočadlo L et al. Nature 424 536 (2003)
  26. Dubrovinsky L et al. Science 316 1880 (2007)
  27. Kuwayama Y et al. Earth Planet. Sci. Lett. 273 379 (2008)
  28. Tateno S et al. Science 330 359 (2010)
  29. Côté A S, Vočadlo L, Brodholt J P Earth Planet. Sci. Lett. 345-348 126 (2012)
  30. Ono S et al. Earth Planet. Sci. Lett. 272 481 (2008)
  31. Sata N et al. Am. Mineral. 93 492 (2008)
  32. Oganov A R, Glass C W J. Chem. Phys. 124 244704 (2006)
  33. Oganov A R, Lyakhov A O, Valle M Acc. Chem. Res. 44 227 (2011)
  34. Lyakhov A O et al. Comput. Phys. Commun. 184 1172 (2013)
  35. Hohenberg P, Kohn W Phys. Rev. 136 B864 (1964)
  36. Kohn W, Sham L J Phys. Rev. 140 A1133 (1965)
  37. Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M Phys. Rev. Lett. 77 3865 (1996)
  38. Dewaele A et al. Phys. Rev. Lett. 97 215504 (2006)
  39. Dubrovinsky L S et al. Phys. Rev. Lett. 84 1720 (2000)
  40. Mao H K et al. J. Geophys. Res. Solid Earth 95 21737 (1990)
  41. Jephcoat A P, Mao H K, Bell P M J. Geophys. Res. Solid Earth 91 4677 (1986)
  42. Ono S, Kikegawa T Am. Mineral. 91 1941 (2006)
  43. Blöchl P E Phys. Rev. B 50 17953 (1994)
  44. Kresse G, Joubert D Phys. Rev. B 59 1758 (1999)
  45. Kresse G, Furthmüller G J. Phys. Rev. B 54 11169 (1996)
  46. Methfessel M, Paxton A T Phys. Rev. B 40 3616 (1989)
  47. Blöchl P E , Jepsen O, Andersen O K Phys. Rev. B 49 16223 (1994)
  48. Dudarev S L et al. Phys. Rev. B 57 1505 (1998)
  49. Togo A, Oba F, Tanaka I Phys. Rev. B 78 134106 (2008)
  50. Togo A, Tanaka I Scripta Mater. 108 1 (2015)
  51. Birch F Phys. Rev. 71 809 (1947)
  52. Parthasarathy G Geochim. Cosmochim. Acta A 68 (Suppl. 11) 93 (2004)
  53. Gudelli V K et al. J. Phys. Chem. C 117 21120 (2013)
  54. Lennie A R et al. Mineral. Mag. 59 677 (1995)
  55. Grimme S J. Comput. Chem. 27 1787 (2006)
  56. Tkatchenko A, Scheffler M Phys. Rev. Lett. 102 073005 (2009)
  57. Dion M et al. Phys. Rev. Lett. 92 246401 (2004)
  58. Román-Pérez G, Soler J M Phys. Rev. Lett. 103 096102 (2009)
  59. Klimeš J, Bowler D R, Michaelides A J. Phys. Condens. Matter 22 022201 (2010)
  60. Klimeš J, Bowler D R, Michaelides A Phys. Rev. B 83 195131 (2011)
  61. Thonhauser T et al. Phys. Rev. B 76 125112 (2007)
  62. Zhang F, Oganov A R Geophys. Res. Lett. 37 L02305 (2010)
  63. Weerasinghe G L, Pickard C J, Needs R J J. Phys. Condens. Matter 27 455501 (2015)
  64. Dziewonski A M, Anderson D L Phys. Earth Planet. Inter. 25 297 (1981)
  65. Alfè D et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 360 1227 (2002)
  66. Huang H et al. Nature 479 513 (2011)
  67. Narygina O et al. Earth Planet. Sci. Lett. 307 409 (2011)
  68. Litasov K D, Shatskiy A F, Ohtani E Geochem. Int. 54 914 (2016)
  69. Hirose K et al. Nature 543 99 (2017)
  70. Prescher C et al. Nature Geosci. 8 220 (2015)
  71. Chen B et al. Geophys. Res. Lett. 39 L18301 (2012)
  72. Chen B et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 17755 (2014)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение