Квантове моделювання виявило несподіване ослаблення планетних мантій

Конвекція мантії та тектоніка плит на планетах, подібних до Землі, залежать від того, як деформуються породи мантії. Ця деформація відбувається, коли дефекти переміщуються в кристалічних структурах мінералів. Тому розуміння того, як ці дефекти поводяться під тиском, має вирішальне значення для розуміння динаміки планет, подібних до Землі.

Спільна команда дослідників, очолювана доктором Себастьяном Ріттерексом, колишнім аспірантом Дослідницького центру геодинаміки Університету Ехіме, а нині науковим співробітником Департаменту наук про Землю Утрехтського університету, застосувала масивне паралельне високоефективне комп’ютерне моделювання на основі про квантово-механічне моделювання в атомному масштабі, щоб пролити нове світло на загадкову поведінку меж зерен під екстремальним тиском, який панує в надрах планети. Ця теоретична методологія, яка називається « моделюванням ab initio », дозволяє дуже точно розрахувати хімічний зв’язок. Це потужний інструмент для визначення властивостей матеріалу в екстремальних умовах у надрах планет, де важко проводити експерименти.

Вивчення феропериклазу в мантіях планет

Ґрунтуючись на наведеному вище теоретичному мінерально-фізичному підході, команда вивчила механічну поведінку та термодинамічні властивості висококутових меж зерен у (Mg,Fe)O феропериклазі, другому за поширеністю мінералі в нижній мантії Землі та, можливо, в мантіях суперземні екзопланети. У цьому дослідженні, на додаток до стандартної теорії функціоналу густини, для більш точного відтворення електронної структури заліза було застосовано метод внутрішньо узгодженого LDA+U.

Результати механічної поведінки вказують на те, що умови дуже високого тиску на планетах земної групи сильно впливають на механізми руху меж зерен, які керують міжкристалічною деформацією. Дослідження вперше довели, що структурні перетворення поверхонь розділу зерен, викликані тиском зі збільшенням глибини в планетарних мантіях, викликають зміну в механізмі та напрямку руху меж зерен.

Команда також продемонструвала, що значне механічне послаблення меж зерен може розвинутися під тиском у кілька мегабар. Це суперечить інтуїції, оскільки зазвичай вважають, що зі збільшенням тиску розташування атомів у матеріалах стає більш щільним, що робить їх твердішими. Це явище ослаблення меж зерен викликано зміною структури перехідного стану меж зерен під час їх руху під надзвичайно високим тиском.

Аналіз їхніх даних, представлений у Journal of Geophysical Research: Solid Earth, опублікованому у квітні 2024 року, визначає ослаблення меж зерен у феропериклазі як один із потенційних механізмів зниження в’язкості зі збільшенням глибини в мантії екзопланет суперземлі.

Розбиття заліза та стани обертання

Команда провела додаткове термодинамічне моделювання поведінки розподілу заліза між об’ємом і межами зерен. Вони визначили, що розмір зерен є важливим фактором у контролі сегрегації меж зерен заліза в полікристалічному феропериклазі в гарячій і щільній нижній мантії. Добре відомо, що введення Fe(II) заміщення в масу MgO має значний вплив на його фізичні властивості, такі як щільність і швидкість сейсмічної хвилі, оскільки Fe(II) зазнає електронного спінового переходу при високому тиску в надрах Землі. Попередньої інформації про спінові стани Fe(II) у межах зерен не було. Наше моделювання тепер показує, що електронний спіновий стан Fe(II) в межах нахилених меж зерен феропериклазу контролюється структурними перетвореннями меж зерен під високим тиском у нижній мантії Землі.

Цей механізм впливає на умови тиску спінового кросовера заліза в полікристалічному (Mg,Fe)O з мікрометровим або меншим розміром зерен. Отримані дані показують, що кросовий тиск заліза при спінуванні у феропериклазі може зрости на кілька десятків ГПа через індуковані тиском структурні граничні переходи в динамічно активних дрібнозернистих областях нижньої мантії порівняно з більш термодинамічно стабільними областями в нижній мантії.

Група дуже задоволена цими відкриттями, однак для кращого розуміння колективного впливу меж зерен на реологічні та термодинамічні властивості полікристалічного феропериклазу знадобляться більш систематичні дані теоретичного моделювання, а також експериментів і спостережень електронної мікроскопії. відповідні тиски і температури в мантіях планет.