Суперионные сплавы железа обвинили в сильном замедлении сейсмических волн в центре Земли

Китайские геохимики промоделировали состояние вещества во внутреннем ядре Земли на основе предположения о том, что главный его компонент (железо) образует суперионные сплавы с легкими элементами — водородом, углеродом и кислородом. Предложенная модель позволила объяснить несоответствие между расчетной и измеренной скоростью сейсмических волн во внутреннем ядре, а с учетом влияния геомагнитного поля — и его сейсмическую анизотропию. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Главный источник данных о строении глубоких недр Земли — это объемные сейсмические волны двух типов: продольные, или волны сжатия (обозначаются символом P), и поперечные, или сдвиговые S-волны. Они рождаются вместе, но при распространении более медленные S-волны отстают, а кроме того, они могут распространяться только в твердом теле. Скорость и тех, и других волн зависит от плотности и упругости среды, что дает возможность получить информацию о свойствах вещества в недрах. Именно анализ сейсмических данных позволил в начале XX века обнаружить ядро как структурный элемент планеты, а в 1930-х годах показал, что внутри него существует поверхность раздела. В ходе последующих исследований ученые установили, что эта поверхность ограничивает внутреннюю часть ядра радиусом 1220–1230 километров. Данные об изменениях скорости сейсмических волн привели к выводу о том, что вещество в ней находится в твердом, кристаллическом состоянии.

Ядро недоступно для прямого химического анализа. О его составе судят исходя из относительной распространенности элементов, теоретических представлений о формировании планет и модельных экспериментов, а также ограничений, налагаемых на плотность по результатам сейсмологических и гравиметрических наблюдений. Главный компонент ядра — железо, в меньших количествах присутствуют никель и другие сидерофильные элементы — кобальт, молибден, осмий, иридий и прочие. Но целиком металлическое ядро оказалось бы слишком плотным. Поэтому не только жидкое внешнее, но и внутреннее твердое ядро должны содержать и легкие примеси, такие как сера, кремний, кислород, углерод, водород.

Температура внутреннего ядра оценивается примерно в 5400–5700 кельвин. Давление, согласно Предварительной эталонной модели Земли (PREM), в которой распределение физических характеристик планеты представлено как функция радиуса, составляет приблизительно 330–360 гигапаскалей. В таких условиях железо кристаллизуется с образованием так называемой гексагональной плотнейшей упаковки атомов, или hcp-модификации.

В числе прочих характеристик PREM включает и расчетные скорости сейсмических волн на разных глубинах. Однако по результатам уточненных исследований 2018 года выяснилось, что для твердого внутреннего ядра они завышены на 2,5 процента. Так, скорость S-волн в центре ядра оказалась равна 3,58, а не 3,67 километра в секунду, как предполагает PREM. Это означает, что внутреннее ядро нельзя считать полностью твердым.

Объяснения требует и еще одна особенность внутреннего ядра, получившая название сейсмической анизотропии. Известно, что P-волны в нем распространяются примерно на три процента быстрее в полярном направлении, чем в экваториальном. Некоторые ученые полагают, что это явление связано с присутствием разных модификаций железа или его твердых сплавов, в которых кристаллические решетки ориентированы взаимно перпендикулярно. Другие указывают, что в экспериментах устойчивость проявила лишь hcp-модификация.

Группа исследователей из КНР во главе с Юй Хэ (Yu He) из Института геохимии Китайской академии наук сосредоточила свое внимание на взаимодействии железа с легкими компонентами внутреннего ядра — водородом, углеродом, кислородом, кремнием и серой. С помощью численного моделирования они рассчитали термодинамические характеристики двух вариантов кристаллических hcp-решеток, содержавших 64 атома железа. В первом случае атом легкого элемента замещал в решетке атом железа, во втором — вводился между узлами решетки. Расчеты велись для давлений от 340 до 360 гигапаскалей и температур от 2000 до 7000 кельвин.

Оказалось, что сера и кремний предпочитают замещать железо, образуя стабильные твердые сульфиды и силициды. Водород, углерод и кислород при давлениях ниже 350 гигапаскалей (то есть дальше от центра ядра) охотнее проникают в междоузлия решетки hcp-железа. Такие сплавы могут оставаться полностью твердыми лишь до температуры 2500–2800 кельвин, а это существенно ниже, чем во внутреннем ядре. Затем подвижность ионов легких элементов растет, и приблизительно при 3000 кельвин они начинают мигрировать внутри кристаллической решетки. Такое состояние вещества, промежуточное между твердым кристаллом и жидкостью, носит название суперионного. Оно разрушается с полным плавлением решетки в диапазоне температур 5413–5770 кельвин при давлении около 330 гигапаскалей, то есть в условиях, соответствующих границе внутреннего ядра. Эта температура на 500–800 градусов ниже, чем нужно для плавления чистого hcp-железа.

Юй Хэ и его коллеги провели расчеты упругих свойств суперионных сплавов и определили скорости сейсмических волн в них. Если в твердых сплавах с ростом температуры до 3000 кельвин значения скоростей волн обоих типов уменьшаются почти линейно, то с переходом в суперионное состояние они демонстрируют ускоренный спад, особенно для S-волн. Моделирование с учетом присутствия никеля показало, что небольшое количество легких примесей, особенно водорода, дает величину скорости, близкую к той, что была измерена в 2018 году.

По-видимому, вещество в суперионном состоянии встречается и на других планетах Солнечной системы. Так, суперионный лед, вероятно, присутствует в недрах Урана и Нептуна среди прочих высокотемпературных модификаций льда и вносит вклад в формирование их магнитных полей. На Земле, как полагают Юй Хэ с коллегами, суперионные сплавы железа во внутреннем ядре Земли тоже участвуют в поддержании механизма геодинамо.

Миграция ионов легких элементов должна вносить вклад в теплопередачу от внутреннего ядра и тем самым способствовать конвекции — необходимому условию возникновения динамо-эффекта в жидком внешнем ядре. Магнитное поле, в свою очередь, воздействует на суперионные проводящие сплавы, заставляя легкие ионы перемещаться. Не исключено, что таким образом примеси в составе внутреннего ядра перераспределяются в достаточной степени, чтобы вызвать сейсмическую анизотропию. По мнению авторов статьи, вероятная связь между геодинамо и сейсмическими особенностями внутреннего ядра, которую должны прояснить дальнейшие исследования, может стать ключом к пониманию его структуры и эволюции.

Ранее N + 1 уже рассказывал о суперионном состоянии вещества. Так, с помощью моделирования физики показали, что смесь гелия с водой при высоких давлениях порождает целых две суперионные фазы, и обнаружили, что в центре Земли гелий может образовывать стабильное соединение с оксидом железа. А еще мы сообщали о том, что на Венере тоже может существовать суперионный лед.