13 мая 2022 г. 18 мая 2022 г. с 12:00 до 13:00 в формате онлайн пройдет Научный семинар ГЦ РАН

Программа:

Доклад главного научного сотрудника Лаборатории метаморфизма и метасоматизма имени академика Д.С. Коржинского ИГЕМ РАН, члена-корреспондента РАН, доктора геолого-минералогических наук Леонида Яковлевича Арановича на тему:

«Легкие элементы в ядре Земли: почему мне нравится водород»

Аннотация доклада:

Более 45 лет назад почти одновременно в [1] и [2] была высказана гипотеза о важной, если не ведущей, роли водорода и ряда гидридов металлов в составе наиболее глубинных зон Земли и в глобальных геодинамических процессах. Хотя представления [1, 2] о преобладании в этих зонах гидридов щелочных металлов не подтвердились, водород по-прежнему рассматривается как один из возможных легких элементов – примесей в жидком и твердом ядре. Уточненное значение температуры Тпл. плавления пиролита (модельное вещество мантии) при давлении 136 ГПа (на границе мантия-жидкое ядро, CMB) – около 3500К [6], т.е., примерно на 1000-1400 градусов ниже, чем чистого Fe, и на 300-400 градусов ниже, чем эвтектики Fe - Fe3С, и близко к температуре плавления FeH0.6-0.7 (3400-3500К) [5]. Экстраполяция этого значения Тпл. приводит к ТICB ~ 4600К. При этой температуре, по экспериментальным данным [3], вхождение 4-6 масс.% Н (FeH0.3) в железоникелевый сплав лучше всего удовлетворяет одновременно дефициту плотности и дефициту скорости продольных волн (Vp) (по сравнению с чистым Fe) в твердом ядре (IC), соответствующему модели PREM [4]. Коэффициент разделения Н между жидким ядром (ОС) и IC близок к 1.4 [5], откуда следует, что в жидком ядре на границе с твердым (ICB) может устойчиво содержаться до 7-8 масс.% Н (FeH0.42). В ходе фракционной кристаллизации твердого ядра вследствие остывания Земли водород перераспределяется из IC в ОС, вплоть до достижения насыщения при соответствующих Р-Т условиях. Выделяющийся из ОС водород, возможно, в смеси с СН4 и/или c более высоко полимеризованными предельными углеводородами, может собираться в струи (фокусироваться), которые взаимодействуют с веществом нижней мантии, вызывая его локальное плавление и восстановление до металлического содержащегося в нем железа. При этом протекают экзотермические реакции окисления части водорода до воды и углеводородов до элементарного углерода. Металлическое железо, образующееся в процессе восстановления из силикатов мантии, опускается в жидкое ядро и, таким образом, поддерживает его существование во времени. Этот процесс является также «ключом», выключающим выделение Н2 (и углеводородов?) из жидкого ядра, т.к. возвращает состав ОС в недосыщенное по Н2 состояние. Таким образом, многие аспекты гипотезы «гидридной Земли» хорошо увязываются с современными данными геофизики и экспериментальной минералогии.

Литература:

1. Маракушев А.А., Перчук Л.Л. Термодинамическая модель флюидного режима Земли // Очерки физ.-хим. петрологии. М.: Наука, 1974. Вып. 4. С. 102-130.
2. Ларин В.Н. Гипотеза изначально гидридной Земли (новая глобальная концепция) // М., «Недра», 1975, 101 с.
3. Sakamaki T., Ohtani E., Fukui H., et al. Constraints on Earth’s inner core composition inferred from measurements of the sound velocity of hcp-iron in extreme conditions. Sci. Adv. 2016, 2: e1500802.
4. Dziewonski A. M., Anderson D. L. Preliminary reference Earth model. Phys. Earth Planet.Inter. 25, 297–356 (1981).
5. Okuchi T. Hydrogen Partitioning into Molten Iron at High Pressure: Implications for Earth's Core. Science, 278, 1997 1781-1784.
6. Nomura R. et al. Low Core-Mantle Boundary Temperature Inferred from the Solidus of Pyrolite. Science, 343, 2014. DOI: 10.1126/science.1248186

Участие в семинаре сотрудников ГЦ РАН обязательно.