Координатор: акад. Титов В. М.

Исполнители: ИГиЛ, ИМП, ИГФ, ИФП СО РАН

Согласно современным представлениям, твердое внутреннее ядро Земли и внешнее жидкое состоят в основном из железа. Однако геофизические данные говорят о том, что ядро Земли имеет меньшую плотность, чем железо при высоких давлениях и температурах (до 360 гигапаскалей и нескольких тысяч градусов в центре Земли). С другой стороны, скорость сейсмических волн в ядре выше, чем скорость звука в железе при плотности вещества в ядре. Следовательно, существует проблема выбора легких химических элементов, которые уменьшали бы суммарную плотность, но увеличивали скорость звука в ядре по сравнению с чистым железом. Такими элементами могут быть только достаточно распространенные в Солнечной системе H, C, N, O, Mg, Si, S.

Согласно проведенным расчетам, необходимым требованиям, в качестве добавки к железу, удовлетворяет углерод и до нескольких процентов других легких элементов, например серы. Твердое внутреннее ядро Земли может содержать 3,4—4,5 % углерода в алмазной фазе (или состоять из карбидов железа и 0,7—1,9 % свободного углерода в алмазной фазе). Внешнее ядро может содержать около 7 % углерода в растворе и 2,9—5 % алмазной фазы углерода. Низ мантии Земли может содержать до 17,5 % алмазных кристаллов. (При этом расчетное соотношение обилий атомов углерода и железа в Земле в целом оказывается близким к среднему для Солнечной системы ~10:1.)

В соответствии с расчетами были приготовлены необходимые смесевые образцы и проведено несколько десятков экспериментов по измерению скорости ударной волны и скорости звука за фронтом ударной волны в чистом железе, в твердых смесях железа с алмазом и, для сравнения, в железе с серой. Измерение скорости ударной волны в образце позволяло определить давление и плотность вещества за фронтом. В работе использовался метод боковой разгрузки и оптической регистрации кривизны фронта ударной волны, выходящей на торец образца. Для получения необходимых давлений в качестве нагружающих устройств использовались два типа ударников, разгоняемых взрывом до скоростей » 5,4 и »3,9 км/с. Проведены серии экспериментов при давлениях 55—60 и 85—100 ГПа. Результаты измерений показали, что добавка алмаза в железо повышает скорость звука в смеси до необходимых геофизических значений. Добавка серы не приводит к повышению скорости звука. Это видно на диаграмме плотность r — объемная скорость звука C_V, где даны некоторые усредненные результаты экспериментов и расчетов (см. рисунок). Аналогично, для низа мантии приведено сравнение геофизических и расчетных данных для перовскита с алмазом.

Зависимость скорости звука от плотности материала.Сплошной линией (с обозначением Fe) показаны экспериментальные данные для объемной скорости звука в железе. Выше сплошной линией (с символами Å ) показаны геофизические данные. Треугольниками (с символами A и S) показаны экспериментальные данные для смесей железа с алмазом и серой. Штриховыми линиями (с обозначениями 85 ГПа и 135 ГПа) показаны расчетные изобары-изотермы для смеси с возрастающим массовым содержанием алмаза в железе при указанных давлениях. Figure. The sound velocity versus density of material.Solid line (marked Fe) represents experimental data for the bulk sound velocity in iron. The upper solid line (marked Å) represents geophysical data. The triangles (marked A and S) represent experimental data for mixtures of iron with diamond and sulfur. The dashed lines (marked 85 GPa and 135 GPa) represent calculated isobars-isotherms for mixture with increasing contents of diamond in iron under indicated pressures.

Скорость сейсмических волн в ядре Земли в плоскости экватора меньше, чем вдоль земной оси. Для проверки предположения о том, что такая анизотропия ядра может быть вызвана ориентацией в магнитном поле Земли акустически анизотропных кристаллов алмаза, были приготовлены модельные образцы, состоящие из эпоксидной смолы с добавкой частиц природного алмаза. Смесь полимеризовалась в постоянном магнитном поле. После застывания измерялась скорость звука в образцах во взаимно перпендикулярных направлениях. Результаты нескольких измерений показали, что скорость звука вдоль ориентирующего магнитного поля, как и в Земле, в среднем выше, чем поперек магнитного поля.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Необходимым требованиям, в качестве основной легкой добавки в ядро Земли, в большей степени удовлетворяет углерод в алмазной фазе.

2. Совпадение измеренных и расчетных скоростей звука в гетерогенных смесях позволяет утверждать, что и для других легких добавок в железо (O, Mg, Si и др.) расчеты выполнены корректно.

3. Сейсмическая анизотропия ядра Земли может объясняться закономерной ориентацией анизотропных кристаллов алмаза в магнитном поле Земли.

1. Анисичкин В. Ф. Ударно-волновые данные как доказательство присутствия углерода в ядре и нижней мантии Земли// ФГВ. 2000. Т. 36, № 4. С. 108—114.
2. Караханов С. М., Бордзиловский С. А., Туркин А. И., Анисичкин В. Ф. Измерение скорости звука в смесях железа с алмазом// Тр. международной конференции “Shock Waves In Condensed Matter”. Санкт-Петербург, 2002. С. 127—129.

В оглавление

Далее