У глибині Землі оксид заліза витримує екстремальні температури та тиск

Межа ядро–мантія (CMB) — це межа розділу між залізним металевим ядром Землі та товстим скелястим шаром мантії безпосередньо над ядром. Це світ крайнощів — температури в тисячі градусів за Фаренгейтом і тиск, який у мільйон разів перевищує тиск на поверхні Землі. Хоча це може здатися далеко від нашого середовища на поверхні Землі, шлейфи матеріалу з CMB можуть підійматися вгору через планету протягом десятків мільйонів років, впливаючи на хімію, геологічну структуру та тектоніку плит поверхневого світу, де ми живемо.

Хоча вчені не можуть подорожувати до центру Землі, щоб вивчити CMB, вони можуть отримати підказки про те, що лежить під поверхнею планети, вимірявши землетруси. Сейсмічні хвилі поширюються з різною швидкістю залежно від матеріалу, через який вони проходять, що дозволяє дослідникам зробити висновок про те, що лежить глибоко під поверхнею, використовуючи сейсмічні ознаки. Це аналогічно тому, як ультразвук використовує звукові хвилі для зображення внутрішньої частини людського тіла.

Останні дослідження показують, що основа земної мантії насправді складна й неоднорідна, зокрема, є гірські регіони, де сейсмічні хвилі таємничим чином уповільнюються. Ці плями, названі зонами наднизьких швидкостей (ULVZs) і вперше виявлені Доном Хелмбергером з Каліфорнійського технологічного інституту, мають товщину в десятки кілометрів і лежать під нашими ногами приблизно на 3000 кілометрів.

«Оскільки ми не можемо просто спуститися до CMB і провести вимірювання, є багато відкритих питань щодо регіону, який є таким важливим для еволюції нашої планети», — каже Дженніфер Джексон, професор фізики мінералів Вільяма Е. Леонгарда. «Чому існують ULVZs і з чого вони зроблені? Що вони вчать нас про те, як розвивалася Земля і яку роль відіграє регіон у динаміці Землі? Чи є ці краплі твердими, чи розплавленими в екстремальних умовах CMB?»

У 2010 році Джексон та її команда припустили, що ці краплі містять вищий вміст оксиду заліза, ніж мантія, що їх оточує. Твердий оксид заліза уповільнює сейсмічні хвилі, що може пояснити низькі швидкості, виміряні при проходженні крізь краплі. Але чи може оксид заліза навіть бути твердим при екстремальних температурах і тисках CMB?

Тепер нове дослідження, проведене в лабораторії Джексона, провело детальні вимірювання поведінки оксиду заліза в діапазоні температур і тисків, подібних до тих, що знаходяться в CMB. Отримана так звана фазова діаграма показує, що, всупереч попереднім теоріям, оксид заліза залишається твердим навіть при дуже високих температурах. Це є найпереконливішим доказом того, що тверді регіони, багаті залізом, є реалістичним поясненням ULVZ і можуть відігравати ключову роль у створенні глибоких шлейфів. Ці знахідки спонукають до майбутньої роботи над твердими матеріалами, багатими на залізо, щоб краще зрозуміти глибинні надра Землі.

Стаття з описом дослідження з’явилася в журналі Nature Communications 13 листопада.

На атомному рівні твердий оксид заліза складається з атомів заліза та кисню, акуратно розташованих у впорядкованих повторюваних структурах. Коли тверда речовина починає плавитися, атоми втрачають свою жорстко впорядковану структуру й починають плавно рухатися. Нове дослідження під керівництвом колишнього аспіранта Каліфорнійського технологічного інституту Василія Добросавлєвича (PhD ’22) мало на меті експериментальне визначення температур і тисків, при яких відбувається цей перехід.

Досягнення екстремальних температур і тиску в експериментах було можливим протягом десятиліть, але для експериментів потрібні крихітні зразки, менші за середню ширину людської волосини. Використовуючи такі маленькі зразки, важко визначити точну температуру, при якій матеріал починає перехід із твердого стану в рідкий. Понад десять років Джексон і його колеги розробляли методику виявлення плавлення при високому тиску. Нове дослідження використовує цю точну техніку, яка називається мессбауеровською спектроскопією, для спостереження за динамічною конфігурацією атомів заліза.

«Ми використовуємо Мессбауера, щоб відповісти на питання про динамічний рух атомів заліза», — каже Добросавлєвич. «Протягом короткого проміжку часу приблизно в 100 наносекунд ми хочемо знати: чи вони майже не рухаються, як у твердому тілі, чи вони рухаються багато, як у рідині? Наше нове дослідження доповнює мессбауерівську спектроскопію незалежним методом X- дифракція променів, яка дозволяє спостерігати положення всіх атомів у зразку».

Після десятків експериментів при різних температурах і тисках команда виявила, що під тиском CMB Землі оксид заліза плавиться при вищих температурах, ніж передбачалося раніше: понад 4000 Кельвінів, що еквівалентно приблизно 6700 градусам за Фаренгейтом. Дослідження також дало несподіваний результат щодо так званих атомних дефектів у залізних матеріалах.

Дослідники знають, що за тиску на рівні моря кожен зразок оксиду заліза має крихітні регулярно розташовані дефекти у своїй атомній структурі. На кожні 100 атомів кисню припадає лише близько 95 атомів заліза, тобто близько п’яти атомів заліза «відсутні». Дослідники обговорювали, як ці дефекти на атомному рівні можуть впливати на матеріал у більшому масштабі — як він проводить електрику й тепло, наприклад, чи деформується під тиском тощо. Ці параметри є критично важливими для розуміння планетних надр, де тепловий потік і деформація матеріалу керують планетарною динамікою. Однак поведінка дефектів при високих тисках і температурах, подібних до тих, що були виявлені в CMB, досі була невідома.

Добросавлевич і його команда виявили, що при температурах на кілька сотень Кельвінів, нижчих за точку плавлення оксиду заліза, крихітні атомні дефекти починають зміщуватися у твердому матеріалі, стаючи «невпорядкованими». Це могло б пояснити, чому попередні експерименти припускали, що оксид заліза плавився при нижчих температурах: ці експерименти насправді спостерігали зрушення в дефектах, а не плавлення всієї кристалічної структури.

«Перед тим, як твердий кристал переходить у рідкий, ми бачимо, що дефектна структура зазнає переходу від упорядкованої до невпорядкованої», — каже він. «Тепер ми хочемо знати, який вплив цей нещодавно відкритий перехід має на фізичні властивості багатих залізом регіонів, таких як ULVZ? Як дефекти впливають на транспортування тепла, і що це означає для формування та генерації висхідних шлейфів. які виходять на поверхню? Ці запитання будуть керувати подальшими дослідженнями». Джерело