Минералогия ядра Земли. По мнению большинства исследователей, дифференциация вещества (разделение по плотности) внутри Земли с формированием металлического ядра и оксидно-силикатной мантии произошла в процессе её аккреции, спустя примерно 30 млн лет после зарождения Солнечной системы и планет земной группы. Одно из подтверждений присутствия железного ядра – устойчивость вращающейся системы, в центре которой сосредоточена её основная масса. Другой аргумент: Исаак Ньютон рассчитал, исходя из закона всемирного тяготения, что средняя плотность Земли в 2 раза больше плотности горных пород на поверхности и, таким образом, ближе к центру планеты должна быть сосредоточена её значительная масса.

Железо – наиболее распространённый химический элемент в ядре Земли, где оно составляет более 85 % по массе. Оставшиеся 15 % по массе ядра приходятся на Ni и некоторые более лёгкие элементы – Si, C, S, O, H. Соответственно, интерес к трансформациям железа и его соединений под воздействием высоких температуры и давления постоянно возрастает, и в течение последнего десятилетия этой проблеме посвящено большое число работ (Литасов. 2016; Пущаровский. 2016; 2019; Zurkowski. 2023).

Принятая модель ядра, впервые обоснованная в 1936 г. датским сейсмологом И. Леманн, предполагает, что на глубине 2,9 тыс. км, под мантией, располагается железоникелевое ядро. Оно имеет радиус около 3,5 тыс. км и состоит из двух слоёв – внешнего, толщиной около 2,2 тыс. км, и внутреннего, толщиной 1,3 тыс. км. Внутренний слой ядра твёрдый. Считается, что внешнее ядро содержит больше лёгких химических элементов по сравнению с внутренним. Однако до сих пор нет единого мнения относительно состава обоих слоёв и кристаллических структур присутствующих в них минеральных фаз. Сведения об этом получают на основе исследований горных пород и минералов, идентифицируемых как материал, вынесенный с больших глубин, экспериментов в камерах высокого давления, а также путём теоретического моделирования кристаллических структур, устойчивых не только в мантии, но и в ядре Земли, т. е. при высоких температурах (~ 5000–6000 °С) и давлениях (~ 3,6 млн атм).

На фазовой диаграмме самородного железа выделяются поля кристаллизации пяти полиморфных модификаций. Присутствующая на диаграмме высокобарная α′-фаза с объёмноцентрированной кубической (bcc) элементарной ячейкой первоначально была предсказана на основе теоретических модельных расчётов. Это предсказание экспериментально подтверждено идентификацией немагнитной α′-фазы при давлении > 200 гПа и температуре > 5000 К (Hrubiak).

Согласно работе (Tao Wang. 2015), внутреннее ядро Земли имеет 2-слойную структуру и состоит из внешней оболочки и внутренней зоны. Соответственно, можно допустить, что внешний слой внутреннего ядра содержит ε-Fe с гексагональной плотнейшей упаковкой атомов Fe, а его внутренний слой – α′-полиморф с объёмноцентрированной ячейкой.

К полиморфным модификациям железа структурно близки железоникелевые сплавы (Fe,Ni), присутствующие в ядре Земли. На основе геохимических оценок содержание Ni в ядре составляет ~ 5,2 % по массе. Сплав никеля с железом со структурой, содержащей гексагональную плотнейшую упаковку атомов металлов, сохраняет устойчивость в условиях ядра Земли (давление ~ 340 гПа, температура ~ 4700 К) (The structure of Fe-Ni alloy in Earth’s inner core. 2012).

Средний атомный вес химических элементов в ядре Земли, по ряду оценок, ~ 49,3, тогда как атомный вес Fe – 55,85 (Бажанова. 2017). С этим несоответствием связано заключение о присутствии в ядре сравнительно лёгких элементов (S, Si, O, C, H) в количестве 10–20 молекулярных %.

Силициды железа

Содержание кремния в ядре составляет ~ 6 % по массе. При давлении и температуре, соответствующих условиям в ядре Земли, допускается образование двухфазной системы с участием силицида, содержащего гексагональную плотнейшую упаковку статистически расположенных атомов Fe и Si, и другого Fe-силицида со структурой типа CsCl (В2).

Карбиды железа

По ряду оценок, карбид железа, Fe₇C₃, – доминирующая фаза в ядре Земли. Структура этого соединения представляет собой каркас из тригональных призм, в центре которых расположены атомы С, а в вершинах – атомы Fe. Кроме того, высказываются идеи о вероятном присутствии в ядре когенита, Fe₃C, а при несколько более низких температурах – Fe₂C. Обе структуры могут быть описаны как каркасы из 8-вершинников, в центрах которых находятся атомы С, а в вершинах – атомы Fe.

Сульфиды железа

Подобно углероду и кремнию, сера рассматривается как один из возможных «партнёров» железа и никеля в ядре Земли. Её содержание оценивается в 1,9 % по массе. В ряде публикаций в качестве предполагаемых в ядре сульфидов железа описываются соединения с относительно высоким отношением Fe/S (> 1). Среди них – теоретически смоделированная для давления 300 гПа структура Fe₂S, которая содержит каркас из SFe₁₀-полиэдров и рассматривается как возможный компонент ядра Земли (Бажанова. 2017). Однако в интервале более близких к внутреннему ядру температур более вероятно Fe₅S₂ со структурным типом Ni₅As₂ (Fe₅S₂ identified as a host of sulfur in Earth and planetary cores. 2022). В этой структуре атомы Fe расположены в 12- и 13-вершинных полиэдрах, вершины которых образованы Fe и S.

Оксиды железа

В составе планет земной группы Fe и О принадлежат к наиболее распространённым химическим элементам. Поэтому оксиды железа, образующиеся при высоких давлении и температуре, представляют несомненный геофизический интерес. При этом кислород, возможно, является геохимически значимым элементом в составе ядра, где его содержание, по данным различных источников, варьирует от 0 до 1,0 % по массе.

Хорошо известно, что магнезиовюстит – (Mg,Fe)O – составляет 20 % нижней мантии Земли. Вюстит – FeO со структурой типа NaCl (B1) – при относительно низком давлении до 100 гПа сначала испытывает ромбоэдрическое искажение (rB1), а затем становится аналогом никелина – NiAs (B8). В области более высоких давлений и температур, соответствующих внутреннему ядру, для вюстита допускается образование полиморфной модификации со структурным типом CsCl (Zurkowski. 2023). В этой модификации катионы Fe²⁺ находятся в низкоспиновом состоянии.

Другой необычный оксид – (Fe_xNi_1–x)₂O – недавно был предсказан на основании энергетических расчётов как устойчивый в интервале давлений 270–400 гПа и, соответственно, как возможный компонент ядра Земли (Shengxuan Huang. 2018).

Эти результаты повлекли за собой переоценку содержания кислорода в ядре, которое теперь считается равным 4,3 % по массе, что больше предыдущего предполагавшегося значения. Слоистый характер структуры (Fe_xNi_1–x)₂O может вызвать вопрос относительно её сохранения при ультравысоком давлении. Однако при этом нужно учесть возникновение сильного металлического взаимодействия между атомами Fe и Ni, а также их высокую координацию, состоящую из четырёх атомов О и девяти соседних атомов металла.

Гидриды железа

Для условий ядра Земли наиболее вероятны два гидрида – FeH со структурой типа NaCl и FeH₃, в структуре которого атомы Fe координированы 12 атомами H (Бажанова. 2012). По последним данным (Zurkowski. 2023), гексагональная полиморфная модификация FeH с двойной гексагональной плотнейшей упаковкой атомов Fe устойчива в нижней мантии Земли до границы с ядром, а кубическая форма FeH доминирует во внешнем ядре.

По данным (Iron superhydrides FeH₅ and FeH₆ ... 2018), на границе нижней мантии и ядра при давлении ~ 150 гПа можно допустить образование ряда железоводородных фаз: FeH, Fe₃H₅, FeH₂, FeH₆, FeH₃, Fe₃H₁₃. В структурах этих соединений чередуются модули FeH и FeH₃, и, соответственно, их можно описать в терминах полисоматической концепции.

Новый взгляд на ядро Земли как резервуар для некоторых химических элементов

Рассмотрение проблемы состава ядра Земли основывается на результатах синтеза и изучения структурных трансформаций Fe-минералов под влиянием высоких температуры и давления. Экспериментально обоснованная перестройка структуры гётита – FeOOH в нижней мантии и на границе мантия – ядро – служит одним из примеров такого рода структурных трансформаций. Гётит – один из главных минералов железомарганцевых конкреций и зон окисления полиметаллических месторождений океанского дна. Содержащие его горные породы в процессе субдукции испытывают погружение вплоть до глубинных частей нижней мантии.

Проведённые эксперименты позволили предположить, что в условиях мантии на глубине более 1800 км под давлением 76 гПа и при температуре 1800 K гётит трансформируется в обогащённый кислородом оксид железа (FeO₂) со структурой пирита и водород: 2FeOOH = 2FeO₂ + H₂ (FeO₂ and FeOOH under deep lower-mantle conditions ... 2016; Dehydrogenation of goethite in Earth’s deep lower mantle. 2017). Тяжёлый оксид FeO₂ погружается дальше, до уровня D′′, т. е. до границы мантия – ядро, а освободившийся водород движется вверх, в сторону поверхности.

Однако несколько позже трансформация гётита была рассмотрена в рамках иного процесса (The pyrite-type high-pressure form of FeOOH. 2017). При этом была экспериментально установлена возможность образования полиморфа FeOOH, также имеющего пиритовую структуру в интервале давлений 120–130 гПа и температур 1400–1500 К, т. е. в условиях нижней мантии. В основании мантии пиритоподобный диоксид трансформируется в η-Fe₂O₃ со структурой постперовскита, освобождая молекулу H₂O. Этот процесс, протекающий на границе мантия – ядро, может способствовать присутствию водорода во внешнем ядре и образованию гидрида железа (FeH_x) со структурой, построенной по принципу двойной гексагональной плотнейшей упаковки (The pyrite-type high-pressure form of FeOOH. 2017).

Эта модель допускает новый взгляд на важную особенность геохимии водорода. Согласно современным геохимическим данным, содержание водорода в Земле оценивается в 0,03 % по массе. В мантии Земли, составляющей бо́льшую часть объёма планеты, эта величина не превышает 0,01 % по массе, тогда как в ядре она увеличивается до 0,06 % по массе. Соответственно, по некоторым оценкам, количество водорода в ядре должно быть в 10 тыс. раз больше по сравнению с гидросферой. Формы концентрации этого элемента в ядре по-прежнему остаются предметом для дискуссий.

Похожая проблема вызвана и сравнительно малым содержанием Хе в атмосфере. Однако недавно было установлено, что в интервале давлений 150–200 гПа и температур 1200–1500 °С ксенон вступает в реакцию с железом и никелем с образованием необычных соединений – XeFe₃ и XeNi₃ (Synthesis of xenon and iron–nickel intermetallic compounds ... 2018). Оба соединения, несмотря на определённые отличия, относятся к структурному типу Cu₃Au. При этом их кристаллизацию связывают с низким, по сравнению с метеоритами (углистыми хондритами), содержанием ксенона в атмосфере Земли и с возможностью его концентрации в ядре с образованием подобных соединений.

Современные взгляды на специфические особенности и свойства мантии и ядра Земли не только основываются на результатах геологических и геофизических методов исследования, но и проясняются также с использованием микроминералогических и кристаллографических подходов. Очевидно, что именно таким образом удастся приблизиться к фундаментальному решению этой исключительно сложной междисциплинарной проблемы.