Внутреннее ядро Земли может быть богато кислородом

Кислород является ключевым веществом для жизни и одним из самых распространенных элементов на Земле. Тем не менее, до сих пор неизвестно, присутствует ли кислород и в какой форме во внутреннем ядре с экстремально высоким давлением и температурными условиями, сообщает «Еurekalert.org».

Ученые во главе с доктором Цзинь Лю из HPSTAR (Центр передовых исследований науки и технологий высокого давления) и доктором Ян Сун из Колумбийского университета показывают, что богатые железом (Fe) сплавы Fe-O стабильны при экстремальных давлениях почти 300 ГПа и высоких температурах более 3000 К (2726,85 по Цельсию).

Результаты, доказывают, что кислород может существовать в твердом внутреннем ядре, что обеспечивает дальнейшее понимание процесса формирования и истории эволюции ядра Земли.

Твердое внутреннее ядро Земли, как одно из самых загадочных мест на планете, находится в самой экстремальной температурной и напорной среде на Земле, с давлением более 3 миллионов атмосфер и температурой, близкой к поверхности Солнца.

Поскольку внутреннее ядро находится далеко за пределами досягаемости человека, мы можем вывести его плотность и химический состав только из сейсмических сигналов, генерируемых землетрясениями.

В настоящее время считается, что легкие элементы существуют во внутреннем ядре, но тип и содержание все еще обсуждаются.

Космохимические и геохимические данные свидетельствуют о том, что он должен содержать серу, кремний, углерод и водород.

Эксперименты и расчеты также подтвердили, что эти элементы смешиваются с чистым железом с образованием различных сплавов железа (Fe) при высоких температурах и условиях высокого давления на глубине Земли.

Однако кислород, который тесно связан с нами, обычно исключается из внутреннего ядра. Это связано главным образом с тем, что сплавы Fe-O с богатым железом составом никогда не были найдены в поверхностных или мантийных средах.

Содержание кислорода во всех известных оксидах железа больше или равно 50 атомным процентам. Хотя люди пытаются синтезировать соединения оксида железа с богатым железом составом, такие вещества до сих пор не найдены.

Является ли внутреннее ядро Земли таким «бескислородным»? Чтобы ответить на этот вопрос, в данном исследовании была проведена серия экспериментов и теоретических расчетов.

Чтобы быть близким к температуре и давлению ядра Земли, чистое железо и оксид железа были помещены на кончики двух алмазных наковальней и нагреты высокоэнергетическим лазерным лучом.

После многих попыток было установлено, что химическая реакция между железом и оксидом железа происходит выше 220-260 ГПа и 3000 К.

Результаты XRD (рентгеноструктурный анализ) показывают, что продукт реакции отличается от обычной высокотемпературной структуры и структуры высокого давления чистого железа и оксида железа.

Теоретический поиск кристаллической структуры с использованием генетического алгоритма доказал, что богатый железом сплав Fe-O может стабильно существовать примерно при 200 ГПа. В таких условиях новые богатые Fe-O сплавы образуют гексагональную плотно упакованную структуру, где слои кислорода расположены между слоями Fe для стабилизации структуры.

Такой механизм производит множество плотно упакованных композиций, образующих большое семейство богатых Fe-O соединений с большой конфигурационной энтропией.

Исходя из этой теоретической информации, атомная конфигурация Fe28O14 соответствует экспериментально измеренной схеме XRD.

Дальнейшие расчеты показали, что богатые Fe-O фазы являются металлическими, в отличие от обычных оксидов железа при низких давлениях. Электронная структура зависит от концентрации кислорода (O) и расположения слоев Fe и O.
Механические и тепловые свойства сплава нуждаются в дальнейшем изучении.