На главную

Минералогия ядра Земли

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[1]; Пущаровский. 2016[2]; 2019[3]; Zurkowski. 2023[4]).

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 (рис. 1) выделяются поля кристаллизации пяти полиморфных модификаций.

Фазовая диаграмма железа

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[5]), 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[6]).

Средний атомный вес химических элементов в ядре Земли, по ряду оценок, ~ 49,3, тогда как атомный вес Fe – 55,85 (Бажанова. 2017[7]). 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, Fe7 C3 , – доминирующая фаза в ядре Земли.

Полиэдрический каркас в структуре Fe7C3. В центрах тригональных призм – атомы С

Структура этого соединения представляет собой каркас из тригональных призм, в центре которых расположены атомы С, а в вершинах – атомы Fe (рис. 2). Кроме того, высказываются идеи о вероятном присутствии в ядре когенита, Fe3 C, а при несколько более низких температурах – Fe2 C. 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 Fe2 S (рис. 3а), 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 Fe5 S2 со структурным типом Ni5 As2 (Fe₅S₂ identified as a host of sulfur in Earth and planetary cores. 2022[8]). В этой структуре атомы Fe расположены в 12- и 13-вершинных полиэдрах, вершины которых образованы Fe и S (рис. 3б).

Плотный полиэдрический каркас из SFe10 полиэдров в структуре Fe2S (а). Fe-полиэдры в структуре Fe5S2 (б)

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.

Структура Fe2O

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 – (Fex Ni1–x )2 O – 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[9]). Его структура изображена на рис. 4.

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 (Fex Ni1–x )2 O 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 (рис. 5а) и FeH3 (рис. 5б), в структуре которого атомы Fe координированы 12 атомами H (Бажанова. 2012[10]). 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[11]), на границе нижней мантии и ядра при давлении ~ 150 гПа можно допустить образование ряда железоводородных фаз: FeH, Fe3 H5 , FeH2 , FeH6 , FeH3 , Fe3 H13 . В структурах этих соединений чередуются модули FeH и FeH3 , и, соответственно, их можно описать в терминах полисоматической концепции.

Модули FeH (а) и FeH3 (б), из которых строятся структуры высокобарных гидридов железа. Серые шары – атомы H, красные шары – атомы Fe.

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 (рис. 6) и водород:

Октаэдрические каркасы в структурных типах гётита (а) и пирита (б)

2FeOOH = 2FeO2 + H2 (FeO₂ and FeOOH under deep lower-mantle conditions ... 2016[12]; Dehydrogenation of goethite in Earth’s deep lower mantle. 2017[13]). Тяжёлый оксид FeO2 погружается дальше, до уровня D′′, т. е. до границы мантия – ядро, а освободившийся водород движется вверх, в сторону поверхности (рис. 7).

Формализованное представление трансформации гётита в условиях нижней мантии с образованием FeO2 (структурный тип пирита)

Однако несколько позже трансформация гётита была рассмотрена в рамках иного процесса (The pyrite-type high-pressure form of FeOOH. 2017[14]). При этом была экспериментально установлена возможность образования полиморфа FeOOH, также имеющего пиритовую структуру (рис. 6б) 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-Fe2 O3 со структурой постперовскита, освобождая молекулу H2 O. Этот процесс, протекающий на границе мантия – ядро, может способствовать присутствию водорода во внешнем ядре и образованию гидрида железа (FeHx ) 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.

Структура Fe3Xe, подобная Cu3Au. Серые шары – атомы Xe, красные – атомы Fe

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[15]). Оба соединения, несмотря на определённые отличия, относятся к структурному типу Cu3 Au (рис. 8).

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.

Примечания

  1. ↑ Литасов К. Д. Современные представления о составе ядра Земли / К. Д. Литасов, А. Ф. Шацкий // Геология и геофизика. – 2016. – Т, 57, № 1. – С. 31–62.
  2. ↑ Пущаровский Д. Ю. Новый взгляд на состав и строение глубинных оболочек планет земной группы / Д. Ю. Пущаровский, Ю. М. Пущаровский // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. – 2016. – № 1. – С. 3–9.
  3. ↑ Пущаровский Д. Ю. Железо и его соединения в ядре Земли: новые данные и идеи / Д. Ю. Пущаровский // Геохимия. – 2019. – Т. 64, № 9. – C. 936–947.
  4. ↑ Celebrating the International Year of Mineralogy : progress and landmark discoveries of the last decades / ed. by Luca Bindi, Giuseppe Cruciani. – Cham : Springer, 2023. – (Springer mineralogy).
  5. ↑ Tao Wang. Equatorial anisotropy in the inner part of Earth’s inner core from autocorrelation of earthquake coda / Tao Wang, Xiaodong Song, Han H. Xia // Nature geoscience. – 2015. – Vol. 8, № 3. – P. 224–227.
  6. ↑ The structure of Fe-Ni alloy in Earth’s inner core / S. Tateno, K. Hirose, T. Komabayashi [et al.] // Geophysical research letters. – 2012. – Vol. 39, № 12. – L12305.
  7. ↑ Бажанова З. Г. Поведение системы Fe–S при высоких давлениях и состав ядра Земли / З. Г. Бажанова, В. В. Ройзен, А. Р. Оганов // Успехи физических наук. – 2017. – Т. 187, № 10. – C. 1105–1113.
  8. ↑ Fe5S2 identified as a host of sulfur in Earth and planetary cores / C. C. Zurkowski, B. Lavina, A. Case [et al.] // Earth and planetary science letters. – 2022. – Vol. 593. – Art. 117650.
  9. ↑ Shengxuan Huang. Stability and anisotropy of (FexNi1−x)2O under high pressure and implications in Earth’s and super-Earth’s core / Shengxuan Huang, Xiang Wu, Shan Qin // Scientific reports. – 2018. – Vol. 8, № 1. – Art. 236.
  10. ↑ Бажанова З. Г. Системы Fe–C и Fe–H при давлениях внутреннего ядра Земли / З. Г. Бажанова, А. Р. Оганов, О. Джанола // Успехи физических наук. – 2012. – Т. 182, № 5. – C. 521–530.
  11. ↑ Iron superhydrides FeH5 and FeH6: stability, electronic properties and superconductivity / A. G. Kvashnin, I. A. Kruglov, D. V. Semenok, A. R. Oganov // Journal of physical chemistry. – 2018. – Vol. 122, № 8. – P. 4731–4736.
  12. ↑ FeO2 and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen-hydrogen cycles / Qingyang Hu, Duck Young Kim, Wenge Yang [et al.] // Nature. – 2016. – Vol. 534, № 7606. – P. 241–244.
  13. ↑ Dehydrogenation of goethite in Earth’s deep lower mantle / Hu Qingyang, Kim Duck Young, Liu Jin [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2017. – Vol. 114, № 7. – P. 1498–1501.
  14. ↑ The pyrite-type high-pressure form of FeOOH / M. Nishi, Y. Kuwayama, J. Tsuchiya, T. Tsuchiya // Nature. – 2017. – Vol. 547, № 7662. – P. 205–208.
  15. ↑ Synthesis of xenon and iron–nickel intermetallic compounds at Earth’s core thermodynamic conditions / E. Stavrou, Y. Yao, A. F. Goncharov [et al.] // Physical review letters. – 2018. – Vol. 120, № 9. – Art. 096001.

Литература

  • Бажанова З. Г. Системы Fe–C и Fe–H при давлениях внутреннего ядра Земли / З. Г. Бажанова, А. Р. Оганов, О. Джанола // Успехи физических наук. – 2012. – Т. 182, № 5. – C. 521–530.
  • Бажанова З. Г. Поведение системы Fe–S при высоких давлениях и состав ядра Земли / З. Г. Бажанова, В. В. Ройзен, А. Р. Оганов // Успехи физических наук. – 2017. – Т. 187, № 10. – C. 1105–1113.
  • The structure of Fe-Ni alloy in Earth’s inner core / S. Tateno, K. Hirose, T. Komabayashi [et al.] // Geophysical research letters. – 2012. – Vol. 39, № 12. – L12305.
  • Anzellini S. Phase diagram of iron under extreme conditions measured with time resolved methods : General Physics. – Paris : Université Pierre et Marie Curie, 2014.
  • Tao Wang. Equatorial anisotropy in the inner part of Earth’s inner core from autocorrelation of earthquake coda / Tao Wang, Xiaodong Song, Han H. Xia // Nature geoscience. – 2015. – Vol. 8, № 3. – P. 224–227.
  • Литасов К. Д. Современные представления о составе ядра Земли / К. Д. Литасов, А. Ф. Шацкий // Геология и геофизика. – 2016. – Т, 57, № 1. – С. 31–62.
  • Пущаровский Д. Ю. Новый взгляд на состав и строение глубинных оболочек планет земной группы / Д. Ю. Пущаровский, Ю. М. Пущаровский // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. – 2016. – № 1. – С. 3–9.
  • Пущаровский Д. Ю. Железо и его соединения в ядре Земли: новые данные и идеи // Геохимия. – 2019. – Т. 64, № 9. – C. 936–947.
  • FeO₂ and FeOOH under deep lower-mantle conditions and Earth’s oxygen-hydrogen cycles / Qingyang Hu, Duck Young Kim, Wenge Yang [et al.] // Nature. – 2016. – Vol. 534, № 7606. – P. 241–244.
  • Dehydrogenation of goethite in Earth’s deep lower mantle / Hu Qingyang, Kim Duck Young, Liu Jin [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2017. – Vol. 114, № 7. – P. 1498–1501.
  • The pyrite-type high-pressure form of FeOOH / M. Nishi, Y. Kuwayama, J. Tsuchiya, T. Tsuchiya // Nature. – 2017. – Vol. 547, № 7662. – P. 205–208.
  • Iron superhydrides FeH₅ and FeH₆: stability, electronic properties and superconductivity / A. G. Kvashnin, I. A. Kruglov, D. V. Semenok, A. R. Oganov // Journal of physical chemistry. – 2018. – Vol. 122, № 8. – P. 4731–4736.
  • Shengxuan Huang. Stability and anisotropy of (FexNi₁−x)₂O under high pressure and implications in Earth’s and super-Earth’s core / Shengxuan Huang, Xiang Wu, Shan Qin // Scientific reports. – 2018. – Vol. 8, № 1. – Art. 236.
  • Synthesis of xenon and iron–nickel intermetallic compounds at Earth’s core thermodynamic conditions / E. Stavrou, Y. Yao, A. F. Goncharov [et al.] // Physical review letters. – 2018. – Vol. 120, № 9. – Art. 096001.
  • Fe₅S₂ identified as a host of sulfur in Earth and planetary cores / C. C. Zurkowski, B. Lavina, A. Case [et al.] // Earth and planetary science letters. – 2022. – Vol. 593. – Art. 117650.
  • Celebrating the International Year of Mineralogy : progress and landmark discoveries of the last decades / ed. by L. Bindi, G. Cruciani. – Cham : Springer, 2023.

Интернет-ресурсы

Материалы портала bigenc.ru переданы в ведение АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ» на основе лицензионного соглашения. Возможны неточности в отображении материалов. Если у вас возникли вопросы или вы увидели ошибку, пожалуйста, сообщите нам на info@ruwiki.ru