Внутреннее ядро Земли может иметь слоистую структуру вроде луковицы
Возможное объяснение аномалиям распространения сейсмических волн сквозь внутреннее ядро Земли нашли в лабораторном эксперименте.
Опыты ставили на синхротроне PETRA III в DESY в Гамбурге. С подробностями и, главное, выводами можно ознакомиться на страницах Nature Communications. Результаты, экстраполированные на условия внутреннего ядра Земли, показывают, что наблюдаемые сейсмические аномалии могут объясняться его слоистой, «луковичной» структурой, которая формируется из-за примесей углерода и кремния в железе.
Состав ядра и аномалии
Ядро Земли состоит в основном из железа. Кроме того, в нем есть небольшие примеси более легких элементов, образующих сплавы с железом, таких как кремний, углерод и кислород. Внешнее ядро находится в жидком состоянии, а внутреннее — твердое и, как считается, состоит именно из таких сплавов.
Сейсмологи наблюдают во внутреннем ядре, что продольные сейсмические волны, возникающие, например, при землетрясениях, распространяются на 3–4% быстрее вдоль оси вращения Земли, чем в экваториальной плоскости. Эти аномалии (анизотропия) имеют разную величину в наружной и внутренней частях ядра.
«Существовало несколько гипотез о происхождении этой анизотропии», — говорит профессор Кармен Санчес-Валье из Института минералогии Мюнстерского университета.
Одно из возможных объяснений — формирование предпочтительной кристаллографической ориентации (ПКО), при которой кристаллы сплавов меняют свою ориентацию из-за конвективных потоков или особенностей роста.
Экспериментальный подход
«К сожалению, существует крайне мало экспериментальных данных о том, как такая ПКО может выглядеть в железном ядре Земли, и нет данных по ПКО в сплавах железа с кремнием и углеродом. Поэтому мы решили изучить совместное влияние кремния и углерода на деформационное поведение железа», — продолжает Санчес-Валье.
Ученые синтезировали сплавы железа, кремния и углерода. На экспериментальной станции P02.2 для исследований в экстремальных условиях на PETRA III образцы нагрели до температуры свыше 820 °C и сжали алмазными наковальнями до миллиона атмосфер.
Ученые наблюдали с помощью рентгеновского анализа на PETRA III, как при сжатии развивалась ПКО в поликристаллическом железном сплаве.
«Нам удалось расшифровать картину предпочтительной ориентации с помощью рентгеноструктурного анализа перпендикулярно оси сжатия», — отмечает первый автор работы Ефим Колесников, бывший докторант Мюнстерского университета на момент проведения эксперимента.
Наблюдавшуюся картину дифракции проанализировали, чтобы определить пластические свойства сплавов — в частности, предел текучести и вязкость. «Эти данные были использованы в теоретической модели для экстраполяции на условия внутреннего ядра», — говорит Колесников.
На основе пластических свойств рассчитали разницу в скоростях продольных волн в сплаве железа с кремнием и углеродом при условиях ядра и сравнили ее с данными для чистого железа. Пришли к выводу, что анизотропию можно объяснить градиентом состава ядра: доля железа увеличивается с глубиной.
«Это согласуется с разной степенью анизотропии скоростей, наблюдаемой в сейсмических профилях», — заключил руководитель группы Илья Купенко.
