Глубоко в недрах Земли оксид железа выдерживает экстремальную температуру и давление

Фото из открытых источников
Граница ядро-мантия (CMB) — это граница между железо-металлическим ядром Земли и толстым каменистым слоем мантии чуть выше ядра. Это мир крайностей: температура достигает тысяч градусов, а давление в миллион раз превышает давление на поверхности Земли. Хотя может показаться, что он находится далеко от нашей окружающей среды на поверхности Земли, шлейфы материала реликтового излучения могут подниматься вверх по планете в течение десятков миллионов лет, влияя на химию, геологическую структуру и тектонику плит поверхностного мира, где мы живем.
 
Хотя ученые не могут отправиться в центр Земли для изучения реликтового излучения, они могут получить представление о том, что находится под поверхностью планеты, измеряя землетрясения. Сейсмические волны движутся с разной скоростью в зависимости от материала, через который они проходят, что позволяет исследователям сделать вывод о том, что находится глубоко под поверхностью, используя сейсмические сигнатуры. Это аналогично тому, как ультразвук использует звуковые волны для получения изображений внутри человеческого тела.
 
Недавние исследования показывают, что основание мантии Земли на самом деле сложное и неоднородное — в частности, существуют горные регионы, где сейсмические волны загадочным образом замедляются. Эти сгустки, названные зонами сверхнизкой скорости (ULVZ), впервые обнаруженные Доном Хельмбергером из Калифорнийского технологического института, имеют толщину в десятки километров и лежат на глубине около 3000 километров под нашими ногами.
 
«Поскольку мы не можем просто спуститься к реликтовому излучению и провести измерения, остается много открытых вопросов об этом регионе, который так важен для эволюции нашей планеты», — говорит Дженнифер Джексон, профессор физики минералов Уильяма Леонарда. «Почему ULVZ существуют и из чего они состоят? Что они говорят нам о том, как развивалась Земля и какую роль этот регион играет в динамике Земли? Являются ли капли твердыми или расплавленными в экстремальных условиях реликтового излучения?».
 
В 2010 году Джексон и ее команда предположили, что капли содержат более высокое содержание оксида железа, чем окружающая их мантия. Твердый оксид железа замедлял бы сейсмические волны, что могло бы объяснить низкие измеренные скорости прохождения через сгустки. Но может ли оксид железа быть твердым при экстремальных температурах и давлениях реликтового излучения?
 
Теперь новое исследование лаборатории Джексона провело детальные измерения поведения оксида железа в диапазоне температур и давлений, аналогичном тем, которые наблюдались в реликтовом излучении. Полученная так называемая фазовая диаграмма показывает, что, вопреки предыдущим теориям, оксид железа остается твердым даже при очень высоких температурах. На данный момент это является самым убедительным доказательством того, что твердые богатые железом регионы являются реалистичным объяснением ULVZ и могут играть ключевую роль в образовании глубинных шлейфов. Полученные результаты мотивируют будущие работы над твердыми материалами, богатыми железом, чтобы лучше понять глубокие недра Земли. Статья с описанием исследования была опубликована в журнале Nature Communications.
 
На атомном уровне твердый оксид железа состоит из атомов железа и кислорода, аккуратно расположенных в упорядоченно повторяющихся узорах. Когда твердое тело начинает плавиться, атомы теряют свою жестко упорядоченную структуру и начинают двигаться жидко. Новое исследование, проведенное Василием Добросавлевичем из Калифорнийского технологического института, было направлено на экспериментальное определение температуры и давления, при которых происходит этот переход.
 
Достижение экстремальных температур и давлений в экспериментах было возможно на протяжении десятилетий, но для экспериментов требуются крошечные образцы, размером меньше средней ширины человеческого волоса. Используя такие небольшие образцы, сложно определить точную температуру, при которой материал начинает переход из твердого состояния в жидкость. Более десяти лет Джексон и его коллеги разрабатывали метод обнаружения плавления при высоких давлениях. В новом исследовании используется этот точный метод, называемый мессбауэровской спектроскопией, для наблюдения динамической конфигурации атомов железа.
 
«Мы используем метод Мессбауэра, чтобы ответить на вопросы о динамическом движении атомов железа», — говорит Добросавлевич. «За короткий период времени, около 100 наносекунд, мы хотим знать: они почти не движутся, как в твердом теле, или сильно движутся, как в жидкости? Наше новое исследование дополняет мессбауэровскую спектроскопию независимым методом X- дифракция лучей, которая позволяет нам наблюдать положения всех атомов в образце».
 
После десятков экспериментов в диапазоне температур и давлений команда обнаружила, что под давлением земного реликтового излучения оксид железа плавится при более высоких температурах, чем предполагалось ранее: более 4000 Кельвинов, что эквивалентно примерно 6700 градусам по Фаренгейту или 3700 градусов Цельсия.
 
Исследование также дало неожиданный результат о так называемых атомных дефектах в железных материалах.
 
Исследователям известно, что при давлении на уровне моря каждый образец оксида железа имеет крошечные регулярно расположенные дефекты в атомной структуре. На каждые 100 атомов кислорода приходится лишь около 95 атомов железа, а это означает, что около пяти атомов железа «отсутствуют». Исследователи обсуждают, как эти дефекты на атомном уровне могут повлиять на материал в более широком масштабе — например, как он проводит электричество и тепло или деформируется под давлением и так далее. Эти параметры имеют решающее значение для понимания недр планет, где тепловой поток и деформация материала определяют планетарную динамику. Однако поведение дефектов при высоких давлениях и температурах, подобных тем, которые были обнаружены при реликтовом излучении, до сих пор было неизвестно.
 
Добросавлевич и его команда обнаружили, что при температурах на несколько сотен Кельвинов ниже точки плавления оксида железа крошечные атомные дефекты начинают перемещаться внутри твердого материала, становясь «беспорядочными». Это может объяснить, почему предыдущие эксперименты показали, что оксид железа плавится при более низких температурах: в этих экспериментах на самом деле наблюдались сдвиги в дефектах, а не плавление всей кристаллической структуры.
 
«Прежде чем твердый кристалл переходит в жидкость, мы видим, что дефектная структура претерпевает переход от упорядоченной к неупорядоченной», — говорит он. «Теперь мы хотим знать, какое влияние этот недавно обнаруженный переход оказывает на физические свойства богатых железом регионов, таких как ULVZ? Как дефекты влияют на перенос тепла и что это означает для формирования и генерации восходящих шлейфов, которые достигают поверхности? Эти вопросы будут определять дальнейшие исследования».