Российская академия наук

Шесть тысяч километров под Землёй

Существуют легенды о том, что целые народы по каким-то причинам уходили под землю и продолжали жить там, время от времени выбрасывая на поверхность руды и минералы.

Существуют легенды о том, что целые народы по каким-то причинам уходили под землю и продолжали жить там, время от времени выбрасывая на поверхность руды и минералы.

 

Название изображения

Наука полностью опровергает саму возможность жизни на большой глубине, где давление и температура достигают критических значений. Так, температура в ядре выше, чем на поверхности Солнца. А в самом его центре давление может достигать более трех с половиной миллионов атмосфер! Что же там происходит? До какой глубины может существовать жизнь? Что творится с минералами, металлами, газами? Оказывается, вопросов здесь значительно больше, чем ответов. Ведь там никто еще не был. А если бы даже побывал, вряд ли бы сумел вернуться. Однако же мы пытаемся пролить свет на все эти и многие другие вопросы вместе с деканом геологического факультета МГУ, академиком РАН  Д.Ю. Пущаровским.

 

– Дмитрий Юрьевич, в прошлый раз мы говорили о том, какие удивительные вещи творятся на большой глубине, прямо под нашими ногами, а мы об этом зачастую даже не догадываемся. Однако же сейчас вы предлагаете обсудить земное ядро. Так глубоко мы ещё не копали...

– Если бы вы меня попросили подобрать эпиграф к нашему сегодняшнему разговору, я бы предложил слова Эйнштейна: «Imagination is more important than knowledge». Воображение важнее, чем знание. Хотя ясно, что это связанные вещи. Действительно, речь пойдет о ядре Земли. Надо сказать, что оно составляет 32% от массы Земли, а по объему – 15%. Образование ядра и вещество в нем – это вопросы, на которые современная наука не нашла убедительный ответ, хотя идеи высказываются разные.

– Вы упомянули, что объем ядра составляет 15%. Известно, что объем земной коры – это всего лишь 1% от объема Земли. А остальное?

– Остальное – это мантия. Конечно, возникает вопрос, а что же внутри, в самом ядре, и почему оно должно быть тяжелее, чем земная кора или мантия. Но на этот вопрос тоже однозначного ответа нет, хотя известно, что там много тяжелого металла – железа. Надо сказать, что формирование ядра, по мнению большинства современных исследователей, началось вскоре после зарождения Солнечной системы, то есть спустя примерно 30 миллионов лет.

– А почему вы уверены, что там много железа?

– Одним из подтверждений присутствия в ядре железа связано с тем, что Земля вращается, и большая масса этой сердцевины придает устойчивость вращающейся системе. Второй аргумент был предложен Ньютоном примерно 300 лет назад. Он рассчитал, что, исходя из гравитации, плотность в центре Земли должна быть в несколько раз выше, чем на поверхности.

– То же самое у всех небесных тел?

– Да, сегодня уже известно, что ядра присутствуют у всех планет и их спутников. Однако же, помимо железа, которое составляет около 90% массы ядра, там присутствуют ещё и никель, а также легкие элементы – точнее, соединения железа с этими элементами, которые представляют большой геофизический интерес. Они, например, позволяют объяснить скачки в скоростях сейсмических волн на границе «мантия и ядро».

– Что сегодня известно о железе внутри ядра? Ведь ясно, что это совсем не такое железо, как на поверхности.

– Сегодня нам известно, в каких областях фазовой диаграммы, которая строится в координатах температура и давление, кристаллизуются те или иные полиморфные формы железа. Французский исследователь в этой области Денис Андро в 2000 году опубликовал работу о пяти полиморфных модификациях железа, которые различаются и своей симметрией, кристаллографическими характеристиками, и магнитными свойствами. Приведенная в этой работе фазовая диаграмма (рис.1а ) содержала полиморфную ß- модификацию, структура которой представляет собой удвоенную гексагональную плотнейшую упаковку металлических атомов. С самого начала эта фаза вызывала много дискуссий в научном мире. Я лично обсуждал с Денисом Андро этот вопрос, и он высказал идею, что она может образоваться в условиях негидростатического, то есть неравномерного давления. Ведь в процессе гидростатического сжатия, когда наблюдается

Рис. 1. Фазовая диаграмма железа. Рисунки модифицированы на основе данных из публикаций Д.Андро с совторами в 2000г. (а) и С.Анзеллини в 2015г. (б). Греческие буквы внутри полей кристаллизации на обоих рисунках обозначают полиморфные модификации железа, различающиеся симметрией и физическими свойствами. ICB – граница внутреннего ядра; bcc – объемно-центрированная элементарная ячейка (см. рис. 2).  При давлении и температуре, соответствующих заштрихованной области на рис. б, эксперименты не проводились.

переход от двух сравнительно низкотемпературных α- и ε-модификаций железа в более высокотемпературную γ-форму, не происходит кристаллизация ß-фазы. Спустя 15 лет, то есть всего три года назад, другой французский исследователь – Симон Анзеллини опубликовал новую фазовую диаграмму, где этой фазы вообще нет (рис.1б). Но зато вблизи границы «мантия – ядро» появляется фаза, которую обозначили в то время как альфа-штрих. Это объемно центрированная ячейка (рис. 2), которая была предсказана теоретически, на основе модельных расчетов. Считается, что она менее плотная, обладает большей мобильностью атомов, а значит, может легче адаптироваться к высоким давлениям. Следует отметить, что при давлениях порядка трех и более миллионов атмосфер, температура плавления железа повышается до 6 400 градусов Кельвина.

– Это выше, чем на Солнце…

– Да, температура внутри ядра выше. И это позволяет объяснить стабильность этой фазы к таким высоким давлениям, позволяет объяснить, почему, собственно говоря, в центре Земли железо находится в твердом, кристаллическом состоянии. А в этом году появилась работа, экспериментально подтверждающая существование такой полиморфной формы железа.

Название изображения

 

 

– Каким же образом её удалось получить?

– Она была экспериментально продиагностирована при давлениях больше двух миллионов атмосфер и температуре больше пяти тысяч градусов Кельвина – то есть, были фактически воссозданы условия ядра.

– А как же ведут себя легкие элементы? И, кстати, чем подтверждается их присутствие в ядре Земли?

– Это подтверждается расчетами. Средний атомный вес элементов в ядре Земли составляет 49,3. Атомный вес железа, как вы знаете, 55,85. Это несоответствие можно объяснить присутствием там легких элементов, и, по мнению большинства исследователей, основными кандидатами здесь служат кремний, углерод, сера, кислород и водород. Чрезвычайно интересно, что в этом году появилась публикация, где впервые обосновывается стабильность комбинации двух модификаций силицида железа Fe0.91Si0.09 при совершенно фантастических давлениях. Это один и 3 десятых миллиарда атмосфер, то есть 1,3 терапаскалей.

– Разве такие давления можно наблюдать в природе? Это вообще физически возможно?

– Да, возможно. Такие условия существуют в центре экзопланет с массой в три раза больше земной. Вот на что замахиваются наша геологическая наука.

– Расскажите, какие еще возможны соединения железа в ядре.

– Ну вот, например, соединения железа с углеродом. Тут я должен сделать маленькое отступление. Дело в том, что ведь мы судим о веществе в ядре, используя три основных подхода. Первый подход – экспериментальный, когда в специальных установках удается сжать кристалл до огромных давлений. На прошлой неделе закончилось международное совещание, и японские специалисты, которые в авангарде этого направления, рассказывали о том, как создают давление уже более 4-х миллионов атмосфер. Второе – это теоретические расчеты, когда математически, зная сжимаемость атомов, межатомных связей и другие параметры, можно предсказать, какие структуры должны возникать при изменении температуры или давления. И третий подход, что особенно близко мне как геологу – это прямые наблюдения, характеристика веществ, которые можно диагностировать как выброшенные из глубинных частей недр. К ним относятся, например, включения в алмазах. И вот совсем недавно в крупных кристаллах алмазов из Анголы были установлены металлические включения, содержащие кроме металлов еще и минерал когенит. Это – один из известных карбидов железа, то есть соединение железа с углеродом. Очень интересно, что эта структура имеет много общего с карбидом уже другим – это Fe2C, который был теоретически предсказан нашим выпускником, а теперь – членом Президентского совета по науке профессором А.Р.Огановым, который много лет работал в ведущих мировых научных центрах, а сейчас живет в Москве и продолжает исследования в Сколково. Так вот, согласно обоснованиям группы ученых во главе с А.Р.Огановым, этот карбид является одним из доминирующих в ядре Земли.

Теперь коснемся сульфидов железа. Я упоминал, что сера – это один из кандидатов на содержание в ядре. Скажу об одном из таких соединений. Это - минерал троилит. Он редко встречается в земных породах и более характерен для метеоритов. Троилит - самый распространённый сульфидный минерал на Луне: в образцах лунных базальтов, доставленных космическими кораблями, было установлено ~ 1% троилита. Он был открыт в метеорите, найденном в 1766г. в итальянской провинции Модена. Свое название минерал получил в честь аббата Доменико Троили, который описал включения сульфида железа в упавшем метеорите. Троилит обладает плотной структурой, и внимание к нему было привлечено в связи с огромными давлениями, температурами, которые существуют в ядре. Он образует восемь полиморфных модификаций, различающихся и симметрией, и магнитными свойствами, и структурными типами.  

Рис. 3. Структурный тип CsCl, в котором в условиях ядра кристаллизуются Fe0.91Si0.09 и высокобарическая модификация FeS

Так вот, для ядра наиболее характерной будет модификация со структурой типа CsCl (рис. 3), которая кристаллизуется в области очень высоких давлений более двух миллионов атмосфер и температур от 4 до 5 тысяч градусов Кельвина. Нашим первокурсникам этот структурный тип известен уже с самых первых занятий по кристаллографии. Вы представляете, какая должна быть перестройка, чтобы столь кардинально изменить структуру минерала?!

– Не представляю.

– Да, это действительно представить непросто, но, тем не менее, это весьма правдоподобно. Теперь скажу об оксидах. Есть несколько кандидатов в минералогическом царстве на то, чтобы считаться возможными представителями оксидов железа в ядре Земли. Совсем недавно, летом этого года, была опубликована работа китайских исследователей из университета Ухань. Мне самому приходилось там читать лекции, и вообще с этим университетом у нашего факультета очень тесные контакты. Так вот, исследователи из этого университета обосновали, что в ядре в интервале огромных давлений от двух до 4 миллионов атмосфер, возникает энергетически благоприятный момент для образования оксида с формулой (Fe,Ni)2O. Его структура (рис. 4) на первый взгляд не выглядит сверхплотной. Я связался с автором этой работы, и мы с ним это обсуждали. И вместе установили, что, во-первых, между атомами металла в этой структуре существуют очень сильные металлические взаимодействия, а их координационные числа здесь очень высоки. Ну, скажем, координационное число железа в этой структуре 13. Это высокое координационное число, образованное 4 атомами кислорода и девятью соседними металлическими атомами. Имея такую координацию атомов, эта структура весьма и весьма устойчива к высоким давлениям.

Название изображения

Надо сказать, в самое последнее время ядро стало рассматриваться как возможный резервуар для некоторых химических элементов, которыми обеднена атмосфера. Скажем, есть минерал с очень романтическим названием – гётит, названный в честь немецкого поэта Гёте.

– Интересно! А почему же в честь Гёте?

– Дело в том, что он был большой любитель минералов, собрал замечательную коллекцию. Первая геологическая карта Германии была составлена при его участии. Гётит, FeOOH, – характерный минерал для железомарганцевых конкреций, а также зон окисления полиметаллических месторождений, то есть для очень поверхностных условий. Так вот, в процессе субдукции, когда океанская плита пододвигается под континентальную, порода, содержащая этот минерал, может оказаться внутри мантии и погружаться в её глубь. Два года назад появилась работа, в которой утверждалось, что ниже 1 800 километров гётит трансформируется в оксид FeO2 со структурой пирита FeS2 (рис. 5).

 Рис. 5. Октаэдрические каркасы в структурных типах гетита (а) и пирита (б).

 

 

Этот тяжелый оксид погружается дальше, а освободившийся водород движется вверх, в сторону поверхности (рис. 6).

 

Рис. 6. Формализованное представление трансформации гетита в условиях нижней                     мантии с образованием FeO2 (структурный тип пирита, по Хю и др., 2016)

 

 

Это было в 2016-м году, и всё это было экспериментально обосновано. Статья на эту тему появилась в очень авторитетном научном журнале –Nature.

Но годом позже, то есть в прошлом году, появилась другая работа, где для водорода предсказана совсем другая судьба. Было обосновано, что на самом деле у минерала гётита есть полиморфная форма, структура которой также полностью соответствует пириту. Однако на уровне границы между нижней мантией и ядром из этой структуры с составом гётита выделяется молекула воды, которая тем самым может дойти до внутреннего ядра, то есть принести водород во внутреннее ядро.

– То есть, водород движется не вверх, а вниз.

– Совершенно верно. Вниз. И там образуется гидрид железа с формулой FeHx. Это открытие имеет огромные геохимические приложения, потому что по современным оценкам содержание водорода в Земле измеряется сотыми долями процента. А если опираться на это значение, то получается, что содержание водорода в ядре должно быть в 10 тысяч раз выше, чем в гидросфере.

– Впечатляет.

– Хотя, конечно, этот вопрос надо понимать шире. Это вопрос об источнике водорода в ядре, о формах его концентрации. Скажем, я упомянул гидрид железа – красиво звучит, но так ли это? Никто ж туда не заглядывал. Но, тем не менее, идея высказывается. Надо сказать, что сходная идея высказана по отношению к ксенону. Содержание ксенона, например, в метеоритах во много раз выше, чем содержание его в атмосфере Земли.

– Как же он туда попадает?

– Значит, где-то он должен быть, если предположить, что все планеты в Солнечной системе образовались примерно в одно время. Некоторый намек на ответ дали исследования нынешнего года, когда были синтезированы необычные соединения состава Fe3Xe и Ni3Xe.

Эти результаты позволяют допустить, что в условиях ядра могут существовать такие соединения и что ксенон в глубинных геосферах находится в больших концентрациях, чем, например, в атмосфере.

– Присутствие окислов железа в ядре не означает, что оно ржавеет?

– Нет, там условия восстановительные. Скажу больше: наши школьные представления о катионах и анионах, о валентности там смазываются.

– Дмитрий Юрьевич, вы уже не первый год занимаетесь ревизией модели структуры Земли. Какие сейчас коренные отличия по сравнению с классической моделью?

– Классическая модель, разработанная в середине прошлого века, предполагает существование земной коры, верхней и нижней мантии, переходной зоны между ними и ядром, внешнего и внутреннего ядер. Однако есть свежие работы геофизиков, в которых внутреннее ядро состоит из двух слоев. А нашими исследователями - геологами и геофизиками была предложена дробная модель мантии. Меня привлекли к этой работе в качестве эксперта, знающего структурные трансформации минералов при высоких давлениях. Все это было синхронизировано, и в итоге появилась новая концепция, ключевой момент которой – это выделение средней мантии внутри прежней нижней в интервале глубин 850 – 1 700 километров. Мы подчеркивали, что точность этих границ примерно 10%. Так вот, в прошлом году появилась работа, в которой обосновывается электронная перестройка в атоме железа, по крайней мере, вблизи одной из этих границ.

– Что конкретно с ним происходит?

– Боюсь загрузить вас научными терминами, но суть в следующем. Известно, что состояние электрона описывается четырьмя квантовыми числами. Среди них есть так называемое спиновое квантовое число, и в зависимости от того, как электроны расположены на частично занятых d-орбиталях в структуре атома железа, различают высокоспиновое и низкоспиновое состояния. Так вот, в этой работе было показано, что при давлениях, соответствующих глубинам 1 600 километров – а это ведь нижняя граница средней мантии, о которой мы писали на основе, главным образом, геофизических, сейсмотомографических и геологических критериев – существует трансформация из высокоспинового состояния железа в низкоспиновое (рис. 7).

Рис. 7. Перестройка электронного состояния железа в феропериклазе (Mg,Fe)O под  воздействием давления в нижней мантии (по Ксю и др., 2017). Красная область соответствует высоко-спиновому (HS) состоянию железа, синяя – низкоспиновому (LS) состоянию. Граница между двумя областями предполагается на глубине 1600 км.

 

 

– Иначе говоря, кручение электронов замедляется?

– Происходит изменение электронной структуры. Это очень интересно. Я подвожу к мысли о том, что о составе и структуре Земли и ядра, в частности, мы можем теперь судить не только по геологическим, геофизическим, сейсмотомографическим, но и по минералогическим и кристаллографическим данным (рис. 8).

 

 

Рис. 8. Атомиум – символ международной выставки в Брюсселе в 1958г.; Элементарная ячейка железа увеличена в 165 миллиардов раз. Радиус ядра Земли ~ 3 500 км. Обе величины несопоставимы по размерам, но уже сейчас понятно, что состав, особенности и свойства ядра можно объяснить на основе микроминералогических и кристаллографических подходов.

 

 

– А как вы думаете, до каких глубин возможно существование тех или иных форм жизни? Ведь не секрет, что даже в экстремальных условиях могут существовать микроорганизмы.

– Я не специалист в этой области, но ведь есть, например, Кольская сверхглубокая скважина. Это 12 тысяч 262 метра. На основе исследования пород, поднятых в процессе бурения, биологи тоже получили пищу для размышлений: оказалось, жизнь на нашей планете возникла на 1.5 миллиарда лет раньше, чем до этого предполагалось. На глубинах, где никакой органики быть не должно, нашли четырнадцать видов окаменевших древних микроорганизмов внутри пород с возрастом более 2.8 миллиардов лет. Никто из учёных не ожидал их там найти.

– А представляете, какая будет неожиданность, если там, в ядре, тоже кто-то живет?

– Да, это было бы и правда весьма неожиданно, но пока в это трудно поверить!

– Можем ли мы сказать, что, познавая строение планеты, на которой мы живем, мы познаем мир в целом, и Космос в том числе?

– Да, это, конечно, так. Через геологическую науку мы познаем макромир и микромир, который тоже во многом остается загадкой для ученых. Причем наука едина. Мы не можем разделять геологию, геофизику, химию, математику. Скажем, электронное строение – это ядерная физика. Мы строим математические модели строения Земли. Это и астрономия, и палеонтология, это все – единая и неделимая современная наука.

 

 

 

Беседу вела Наталия Лескова.

 

 

академик глубина дмитрий пущаровский железо земное ядро лескова мантия масса мгу небесные тела пущаровский ран солнце ядро

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий