В недрах Земли оксид железа выдерживает экстремальные температуры и давления

Граница между ядром и мантией (CMB) — это зона контакта между железным металлическим ядром Земли и толстым силикатным слоем мантии. Это мир экстремальных условий: температуры в тысячи градусов по Фаренгейту и давление, более чем в миллион раз превышающее давление на поверхности. Недавние исследования показывают, что основание мантии неоднородно, и существуют области, где сейсмические волны замедляются. Эти зоны, известные как зоны сверхнизких скоростей (ULVZ), имеют толщину в десятки километров и расположены примерно в 3000 километрах под нашими ногами.

В 2010 году было высказано предположение, что эти области содержат больше оксида железа (FeO), чем окружающая мантия, что может объяснить низкие скорости сейсмических волн. Однако оставался открытым вопрос: может ли FeO оставаться твёрдым в экстремальных условиях на границе ядра и мантии? Новое исследование лаборатории Дженнифер Джексон из Калифорнийского технологического института дало ответ, проведя детальные измерения поведения FeO при температурах и давлениях, аналогичных условиям CMB. Фазовая диаграмма показала, что, вопреки предыдущим теориям, FeO остаётся твёрдым даже при очень высоких температурах — свыше 4000 К (около 6700 °F). Это самое веское на сегодня свидетельство в пользу того, что богатые железом твёрдые области являются реалистичным объяснением природы ULVZ.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications 13 ноября, также выявило неожиданный результат, связанный с атомными дефектами в структуре FeO. Учёные обнаружили, что при температурах на несколько сотен кельвинов ниже точки плавления эти микроскопические дефекты начинают беспорядочно смещаться внутри ещё твёрдого материала. Это открытие объясняет, почему более ранние эксперименты могли ошибочно указывать на более низкую температуру плавления — они фиксировали переход в дефектной структуре, а не плавление всей кристаллической решётки. Это фундаментальное открытие мотивирует дальнейшую работу по изучению твёрдых железосодержащих материалов для лучшего понимания динамики и теплопереноса в глубоких недрах Земли.