Все новости

Нарушения правил Полинга указали на сжимаемость «внутренностей» Земли

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

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 гранями
Описание
На рисунках a и b показаны пространственные кристаллические решетки коэситов, а на рисунке c — развернутые на плоскости, где четко видны фрагменты SiO6, парадоксально соединенные гранями

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.