Текст уведомления здесь

Нарушения правил Полинга указали на сжимаемость «внутренностей» Земли

Силикаты в нижней мантии нашей планеты имеют совсем иную структуру, чем считалось до сих пор.
Добавить в закладки
Комментарии

Международная группа исследователей, среди которых были ученые НИТУ «МИСиС», установила, что свойства диоксида кремния сильно изменяются при давлениях, соответствующих нижним слоям мантии Земли. Это происходит из-за изменения его структуры и влияет на геологические события. Новая работа может быть проверена сейсмологическими наблюдениями, а полученные в ней данные помогут прояснить процессы, идущие на большой глубине и важные для понимания геологии нашей планеты. Соответствующая статья опубликована в Nature Communications. Ее оригинал представлен авторами в редакцию «Чердака».

Ученые взяли порошок кварцевого стекла высокой чистоты, после чего смешали его с дистиллированной водой внутри платиновой капсулы, которую потом запаяли. Капсулы  подвергли давлению до 35—50 гигапаскалей (примерно 350—500 тысяч атмосфер) и медленно нагревали до 1250 градусов по Цельсию, поддерживая такую температуру на протяжении многих часов, а затем постепенно охлаждали. В итоге были получены кристаллы (размерами до 100 микрометров) необычных фаз минерала коэсита. Он, как и кварц, является полиморфной разновидностью кремнезема (диоксида кремния, SiO2), но устойчив только при больших давлениях и поэтому на поверхности планеты встречается редко.

Затем исследователи отобрали часть кристаллов для изучения с помощью источников рентгеновского излучения, что позволило прояснить их структуру. Оказалось, что она заметно нарушает третье и пятое правила Лайнуса Полинга, сформулированные гениальным химиком для описания строения неорганических веществ.

Согласно третьему правилу устойчивость структуры кристаллов, в которых многогранники-анионы имеют общие грани, снижается: катионы в материале оказываются друг к другу ближе обычного и это увеличивает электростатическое отталкивание между ними, «распихивая» материал изнутри. Поэтому такие кристаллы встречаются реже, чем те, у которых нет общих граней. Пятое же правило Полинга говорит, что в кристалле должны повторяться идентичные структуры, поскольку каждый атом с наименьшими энергетическими затратами сохраняет свое положение в одной и той же позиции. Поэтому теоретически в кристаллической решетке материала может быть два или три вида многогранников, скажем тетраэдров или октаэдров, но не может быть много разных типов многогранников.

На рисунках a и b показаны пространственные кристаллические решетки коэситов, а на рисунке c — развернутые на плоскости, где четко видны фрагменты SiO6, парадоксально соединенные гранямиИзображение: пресс-служба НИТУ «МИСиС»

На деле в различных фазах коэсита при высоком давлении удалось наблюдать как наличие множества октаэдров с большим количеством общих граней («слепленных» вместе), так и изобилие разных типов многогранников. В центре каждого такого многоугольника был атом кремния, а по краям находились атомы кислорода. Зачастую разные фазы коэсита (вторая и третья, а также четвертая и пятая) сосуществовали в одном образце, и разные виды многогранников были представлены в относительно небольшом объеме.

Обычно координационное число атомов, лежащих в центре иона или молекулы, в материале одинаково, то есть для центрального атома кремния число ближайших равноудаленных одинаковых частиц (в данном случае — атомов) в кристаллической решетке должно повторяться. Однако в коэсите-IV и коэсите-V исследователям удалось наблюдать атомы кремния с координационным числом, равным четырем, пяти и шести (то есть вокруг одного атома кремния могло группироваться от четырех до шести прилегающих атомов). Причем, вопреки третьему правилу Полинга, многогранники-октаэдры в коэситах соединялись через общие грани.

Как отмечают авторы работы, обнаруженные ими в кристаллической решетке коэситов структуры резко отличаются от всех ранее известных моделей подобных структур. Полученные данные позволяют предполагать, что в нижних слоях мантии Земли составляющие ее силикаты могут быть гораздо более сжимаемыми, чем считалось ранее. В принципе это можно выявить с помощью отслеживания распространения сейсмических волн: исходя из эксперимента, скорость распространения звуковых волн в коэситах нижней мантии должна быть до 10 процентов ниже, чем считалось ранее.

От свойств нижней мантии зависит целый ряд геологических процессов, включая восходящие потоки в мантии, играющие ведущую роль при выносе наверх, в земную кору, целого ряда важных тяжелых элементов. Ключевое значение такие потоки имеют и для формирования зон повышенной сейсмической активности.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы