Экстремальное сжатие силиката магния помогло воссоздать условия земной мантии

Yingwei Fei / Sandia National Laboratories

Американские физики синтезировали сверхплотную форму минерала бриджманита, а потом сжали образец вдвое, чтобы смоделировать условия мантии планеты. Оказалось, что материал из которого состоит мантия, более тугоплавкий, чем считалось до этого. Полученные результаты помогут больше узнать о планетах подобных Земле и их свойствах. Статья опубликована в Nature Communications.

Нижняя мантия Земли состоит в основном из минерала бриджманита, который представляет собой силикат магния. Бриджманит образуется при высоком давлении, которое создается внутри мантии планеты. Опускаясь глубже к ядру, он переходит в другую форму — постперовскит. Точные измерения плотности бриджманита и постперовскита в зависимости от давления и температуры могут сильно помочь в исследовании Земли и планет земного типа — мантии таких планет состоят в основном из смеси силикатов магния и железа. 

Чем тяжелее планета, тем выше давление в мантии — при достижении планетой десяти земных масс давление в ее мантии будет составлять примерно 1400 гигапаскалей. Однако до сих пор максимальное статическое давление, которого удавалось достичь для бриджманита в лабораторных условиях, составляет 170 гигапаскалей при высокой температуре, и 260 — при комнатной. Исследование фазового состава при этом делается с помощью рентгенодифракционного анализа в ячейке с алмазными наковальнями. Такое давление можно получить с использованием ударного сжатия, но для построения фазовых диаграмм и исследования плавления вещества это не подходит, так как процесс плавления сильно зависит от исходной плотности материала.

Обычно в экспериментах по исследованию плотности силиката магния в качестве исходного материала выступает энстатит — один из минералов на основе силиката магния. Из-за его низкой плотности (менее 3,2 грамм на кубический сантиметр) плавление наступает слишком рано, даже не достигнув 180 гигапаскалей. Поэтому для измерений выше этого давления ученым приходится заранее готовить образцы силиката магния повышенной плотности. Максимальное давление, полученное на таком образце, составило 245 гигапаскалей.

Для получения давления выше этого уровня группа ученых под руководством Йингвея Фея (Yingwei Fei) из Института Карнеги синтезировала самую плотную из известных устойчивых форм бриджманита: плотность образца составила 4,1 грамм на кубический сантиметр при нормальных условиях. Для этого они использовали ячейку с несколькими наковальнями, создав давление 25 гигапаскалей при температуре 1400 градусов Цельсия. Далее авторы подвергли полученные образцы экстремальному сжатию. Для этого они разгоняли металлический груз сильным магнитным полем, сталкивая его с образцом — такой способ позволяет достичь давления выше 1000 гигапаскалей. Скорость груза варьировалась от 9,51 до 30 километров в секунду. Скорость грузов и степень сжатия образца измерялись с помощью лазерной интерферометрии, которая часто используется в таких исследованиях.


Проведенный эксперимент позволил физикам изучить поведение силиката магния в диапазоне давлений от 296 до 1207 гигапаскалей. Из полученных данных, авторы сделали вывод, что бриджманит переходит в постперовскит даже при минимальном давлении эксперимента — 296 гигапаскалей. Это согласуется с уже имеющимися данными: недавние исследования показали, что этот переход происходит при 125 гигапаскалях. Также авторы показали, что при давлении 500 гигапаскалей происходит переход в жидкую фазу. При этом плотность образца при максимальном давлении повышается более чем в два раза. Изначальная плотность составляет 4,1 грамм на кубический сантиметр, а при максимальном давлении — 8,87 грамм на кубический сантиметр. Авторы использовали теорию функционала плотности для предсказания зависимости плотности от давления. При этом полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с этой зависимостью.

Полученные физиками данные помогут предсказать свойства мантии у планет размером вплоть до восьми земных масс. Сравнительно высокая расчетная температура плавления бриджманита при 500 гигапаскалях, говорит о том, что мантии тяжелых планет земного типа обладают большей вязкостью, чем мантия Земли. Этот фактор может замедлять процесс охлаждения ядер планет и влиять на их другие характеристики, в том числе на магнитное поле.

Ученые часто пытаются получить сверхсжатые материалы и изучить их. Например, недавно физики сжали алмаз до давления в несколько терапаскалей, чтобы узнать, как он ведет себя в ядре планеты. О том, что происходит с веществами под высоким давлением, можно прочитать в материале «Путешествие к центру Земли».

Егор Длин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.