Давление в центре Земли заставило гелий соединиться с железом и кислородом

Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018

Физики из Китая и США с помощью численного моделирования показали, что в центре Земли может образоваться стабильное соединение гелия и оксида железа. Это соединение могло захватить первичный гелий на заре формирования Земли и сохранить его до настоящего времени, что объясняет необычно высокое отношение концентраций гелия-3 и гелия-4 в мантийных плюмах. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

На Земле гелий производится в двух типах процессов. С одной стороны, он образуется в результате альфа-распада радиоактивных элементов внутри земной коры (альфа-частицы — это ядра гелия-4). С другой стороны, геологи находят гелий в плюмах — горячих мантийных потоках, которые двигаются от ядра Земли до ее поверхности. Отношение концентраций гелия-3 и гелия-4 в таких плюмах в 50 раз превышает отношение концентраций в океанском базальте. Это указывает на то, что внутри земного ядра сохранился первичный гелий, который был захвачен Землей на ранних этапах формирования Солнечной системы.

К сожалению, ученые не знают, как земное ядро могло захватить первичный гелий. Дело в том, что электронные оболочки атома гелия полностью заполнены, а потому он практически не вступает в химические реакции и не образует устойчивых соединений с элементами земного ядра (железо, кремний, никель, кислород и так далее). Следовательно, первичный гелий, имеющий сравнительно низкую плотность, должен был давно улетучиться из ядра. Если бы это было так, геологи зарегистрировали бы в плюмах гораздо более низкую концентрацию гелия.

Группа ученых под руководством Янмин Ма (Yanming Ma) предположила, что при экстремальных условиях в центре Земли гелий все-таки вступает в химическую реакцию с элементами ядра и образует твердое устойчивое соединение. В самом деле, ранее исследователи уже сообщали об устойчивых соединениях гелия с водой, натрием, азотом и железом, которые возникают при высоких давлениях и температурах. На этот раз физики выбрали в качестве исходного соединения диоксид железа FeO2, находящийся при давлении от одного до трех миллионов атмосфер, соответствующих давлениям в центре Земли. С помощью программы CALYPSO, ранее разработанной той же группой исследователей, ученые «просканировали» возможные соединения гелия и FeO2. Для этого физики случайным образом присоединяли к структуре атом гелия, а затем оценивали устойчивость получившегося материала, рассчитывая энергию в рамках теории функционала плотности. Если энергия соединения с гелием оказывалась меньше энергии исходного соединения, ученые сохраняли его, поскольку оно могло оказаться стабильным. После этого стабильность структуры дополнительно уточнялась независимыми инструментами.

В результате исследователи обнаружили редкое соединение FeO2He, которое остается стабильным при давлении более 1,35 миллиона атмосфер и температуре 3000–5000 кельвинов, обладает кубической структурой и пространственной группой Fm-3m. Плотность вещества составляет примерно 7,2 грамм на кубический сантиметр, то есть «всплыть» на поверхность Земли оно не может. После этого физики рассчитали распределение зарядов внутри соединения и его зонную структуру. Оказалось, что в среднем на атом кислорода приходится заряд около 0,8e, на атом железа — 1,64e, а на атом гелия — 0,04e (e — элементарный заряд). Этот результат показывает, что атом гелия выступает в качестве кулоновского щита, который стабилизирует соединение. Кроме того, ученые определили зонную структуру материала и показали, что он является полупроводником с непрямой запрещенной зоной шириной около 0,95 электронвольт (при давлении 1,35 миллионов атмосфер). Наконец, физики рассчитали скорость звука внутри FeO2He. Оказалось, что эти параметры попадают в «ворота», установленные сейсмологическими наблюдениями. Таким образом, авторы статьи считают, что FeO2He действительно может образоваться внутри земного ядра.

Помимо соединений FeO2, ученые аналогичным образом проверили, может ли гелий образовать устойчивое соединение MgO или MgSiO3 при давлениях от одного до трех миллионов атмосфер. Как и ожидалось, ученым не удалось обнаружить такие соединения. Таким образом, авторы заключают, что FeO2He является первым и единственным известным соединением, которые может сохранить первичный гелий внутри земного ядра.

Совсем недавно — в июле этого года — физики из Великобритании и США показали, что при давлениях порядка ста миллионов атмосфер гелий и железо образуют устойчивые соединения FeHe и FeHe2. Тем не менее, такие соединения не могут сформироваться внутри Земли, поскольку давление в ее ядре не превышает 3,7 миллионов атмосфер. Следовательно, они не могут хранить внутри себя первичный гелий.

За последние несколько лет численное моделирование химических соединений в экстремальных условиях стало очень популярным направлением. Например, в феврале 2017 года группа ученых под руководством Артема Оганова предсказала, что при давлении выше 1,6 миллионов атмосфер гелий образует устойчивое соединение с азотом Na2He, а затем получила это соединение в лаборатории. В марте 2018 химики из США, Канады и России обнаружили, что ксенон образует устойчивые соединения с железом и никелем при давлении и температуре, соответствующим условиям ядра Земли. По словам ученых, это объясняет пониженное содержание ксенона в атмосфере Земли. В ноябре химики синтезировали при давлении порядка миллиона атмосфер две новые модификации диоксида кремния высокого давления, которые может объяснить распределение силикатных минералов и их расплавов в глубоких слоях мантии Земли. Узнать, как ученые исследуют вещества в таких экстремальных условиях, можно в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.