К эталонной минерально-физической модели ядра Луны
Toward a mineral physics reference model for the Moon’s core. Daniele Antonangeli, Guillaume Morard, Nicholas C. Schmerr, Tetsuya Komabayashi, Michael Krisch, Guillaume Fiquet, Yingwei Fei. PNAS. 2015. Vol. 112. No 13. P. 3916–3919.
Железо (Fe) является главным элементом ядра планет земной группы. Знание того, как ведет себя Fe при высоких давлениях и температурах, является ключевым фактором для понимания химического состав, эволюции и динамики глубоких недр планет. Все планеты земной группы имеют сходную слоистую структуру: в центре располагается металлическое ядро, сложенное главным образом железом, которое окружено силикатной мантией, покрытой снаружи тонкой дифференцированной корой. На сегодняшний день все исследования поведения Fe в ядре сконцентрированы на ε-фазе Fe, обладающей гексагональной плотноупакованной структурой (Fehcp), так как, скорее всего, именно в этой, стабильной при высоких давлениях и температурах форме, Fe присутствует в ядре Земли. Но для ядер малых планет (Луна, Меркурий, Марс) характерны меньшие значения давлений и температур в ядре, и Fe там находится в γ-фазе с гранецентрированной кубической структурой (Fefcc). Для корректного построения сейсмических моделей внутренних частей малых планет необходимо знать параметры скоростей поперечных упругих звуковых волн и плотности γ-Fe в их ядре. Однако для γ-Fe до сих пор отсутствовали экспериментально полученные параметры звуковых волн как функции давления и температуры. Получив экспериментальным путем Fe с гранецентрированной кубической структурой, авторы измерили скорость прохождения продольных и поперечных волн в металле (VP и VS), а также плотность Fefcc в условиях, характерных для глубинных зон малых планет (давление от 0 до 19 ГПа, температура от 300 до 1150 К). Измерения производились в ячейках с алмазными наковальнями с помощью неэластичного рентгеновского рассеяния (IXS) в сочетании с методом рентгеновской дифракции (XRD). При одной и той же плотности скорость звуковых волн в Fefcc была на 400 м/с ниже, чем в Fehcp. Проведя ревизию данных лунной миссии Apollo, и сравнив их с данными эксперимента, авторы показали, что скорости сейсмических волн, замеренные в свое время для внутреннего ядра Луны, существенно ниже полученных экспериментальным путем для Fefcc или вероятных сплавов железа c Ni или другими более легкими металлами. Добавление Ni в количествах до 22 атомных % действительно повышало плотность металла при тех же давлениях, но никак не влияло на скорость продольных волн. С помощью включения в сплав легких элементов, таких как кремний, сера или углерод, удавалось снизить плотность вещества, но, при равных плотностях, скорость волн сжатия была только выше. Что касается ильменита (FeTiO3), который назывался в качестве возможного минерала, составляющего основу лунного ядра, то по результатам моделирования (особенно для ядра больших размеров) ильменитовое ядро оказалось еще плотнее металлического железного и скорости звуковых волн в нем также были выше, чем в железном. Авторы предполагают, что внутреннее ядро Луны радиусом 245-250 км полностью состоит из γ-Fe, а в оболочке внешнего ядра толщиной 80-85 км присутствует S в объеме 3-6%. Результаты исследования могут быть положены в основу сейсмических моделей внутреннего строения Луны и планет земной группы, а также позволяют построить минерально-физическую модель ядра Луны.
В.В. Стрекопытов