Физики смоделировали сложные оксидные соединения нижней мантии Земли

Ученые смоделировали сложные оксидные соединения на основе железа в нижней мантии Земли. Теоретическое исследование данных оксидных соединений вносит вклад в совокупность знаний о свойствах минералов геосферы, которые практически недоступны для экспериментального изучения.

Над научным исследованием работают специалисты Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения (ИФМ УрО) РАН совместно с коллегами из Уральского федерального университета и Сколковского института науки и технологий.

Наша планета состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра. На мантию приходится более половины массы нашей планеты и около 80% ее объема. Располагается она на расстоянии от 650 до 2800 км от поверхности к центру Земли. Процессы, происходящие в мантии – фазовые переходы, пластические деформации и теплоперенос – приводят в движение континенты и литосферные плиты, зарождают землетрясения и цунами, заставляют извергаться вулканы. Именно поэтому ученым важно знать состав мантии и ее строение.

По современным представлениям, более 70% нижней мантии Земли составляет железосодержащий минерал бриджманит. В его состав могут входить алюминий, магний, железо, кремний, кислород и другие элементы в различных пропорциях.

«В этой работе мы исследовали оксидные соединения железа, близкие по составу к минералу бриджманиту, но содержащие примеси кремния, алюминия и других элементов. Это позволило выявить изменения магнитных и электронных характеристик, возникающие при таких вариациях химического состава в характерных типах кристаллической структуры. Продолжением работы станет моделирование систем в широком диапазоне давлений и температур, которые возникают в самых глубоких слоях мантии Земли», − рассказывает научный руководитель работы, заведующий лабораторией ИФМ УрО РАН Алексей Лукоянов.

Изучение оксидных соединений проводилось уральскими учеными при помощи методов компьютерного моделирования их структуры и свойств на базе высокопроизводительного вычислительного кластера ИФМ УрО РАН. Ученые использовали первопринципный подход моделирования структуры и свойств материалов, активно применяемый в самых различных областях моделирования веществ. От других подходов его отличает возможность с высокой точностью рассчитать структурные, энергетические, электронные, магнитные и другие свойства, исходя из расположения атомов, без привлечения дополнительных эмпирических предположений.

Исследование влияния взаимного присоединения примесных атомов в составе изученных материалов мантии Земли на основе оксидных соединений в разных кристаллических фазах выполнено впервые. В ряде моделированных составов соединений ученые обнаружили значительные изменения магнитных и электронных свойств железосодержащих оксидных соединений, определяемые типом и позицией замещающих атомов.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России и Российского научного фонда.

Результаты исследования опубликованы в журнале Materials.