Результаты показывают, что прочность и движение границ зерен, обеспечиваемые либо сдвигово-связанной миграцией (SCM), либо скольжением границ зерен (GBS), сильно варьируются в зависимости от давления, что приводит к упрочнению и ослаблению границ зерен в широком диапазоне давлений. Особенно в условиях давления суперземельных экзопланет (~120–400 ГПа) ослабление границ зерен наблюдается с увеличением глубины во время сдвигово-связанной миграции. Автор: S. Ritterbex и T. Tsuchiya
Конвекция мантии и связанная с ней тектоника плит планет, подобных Земле, управляются деформацией пород мантии. Эта деформация происходит посредством движения дефектов в кристаллических решетках минералов. Таким образом, физические свойства этих структурных дефектов под давлением имеют глубокие последствия для динамики планет земного типа.
Совместная группа исследователей под руководством доктора Себастьяна Риттерекса, бывшего постдокторанта Центра геодинамических исследований Университета Эхимэ, а ныне научного сотрудника кафедры наук о Земле Утрехтского университета, применила массовые параллельные высокопроизводительные компьютерные моделирования на основе квантово-механического моделирования в атомном масштабе, чтобы пролить новый свет на загадочное поведение границ зерен под воздействием экстремальных давлений, которые преобладают в недрах планет.
Эта теоретическая методология, называемая «симуляциями ab initio», позволяет исследователям очень точно рассчитывать химические связи. Это мощный инструмент для определения свойств материалов в экстремальных условиях внутри планет, где трудно проводить эксперименты.
Основываясь на описанном выше теоретическом подходе к физике минералов, группа исследовала механическое поведение и термодинамические свойства границ зерен с большим углом наклона в ферропериклазе (Mg,Fe)O, втором по распространенности минерале в нижней мантии Земли и, возможно, в мантиях экзопланет класса суперземель.
В данном исследовании, в дополнение к стандартной теории функционала плотности, для более точного воспроизведения электронной структуры железа был применен внутренне согласованный метод LDA+U.
Результаты механического поведения указывают на то, что условия очень высокого давления на планетах земной группы оказывают сильное влияние на механизмы движения границ зерен, которые управляют межкристаллической деформацией. Исследование впервые доказало, что структурные преобразования интерфейсов зерен, вызванные давлением с увеличением глубины в мантии планет, вызывают изменение механизма и направления движения границ зерен.
Команда также продемонстрировала, что значительное механическое ослабление границ зерен может возникнуть при давлении в несколько мегабар. Это противоречит здравому смыслу, поскольку обычно считается, что с ростом давления атомные структуры в материалах становятся более плотно упакованными, что делает их более твердыми.
Это явление ослабления границ зерен вызвано изменением структуры переходного состояния границ зерен во время их движения под чрезвычайно высоким давлением. Анализ их данных, представленных в журнале Journal of Geophysical Research: Solid Earth, опубликованном в апреле 2024 года, определяет ослабление границ зерен в ферропериклазе как один из потенциальных механизмов снижения вязкости с увеличением глубины в мантии экзопланет типа суперземли.
Команда провела дополнительное термодинамическое моделирование поведения распределения железа между объемом и границами зерен. Они определили, что размер зерна является важным фактором в контроле сегрегации железа по границам зерен в поликристаллическом ферропериклазе в горячей и плотной нижней мантии.
Хорошо известно, что включение замещающего Fe(II) в объемный MgO оказывает существенное влияние на его физические свойства, такие как плотность и скорости сейсмических волн, поскольку Fe(II) претерпевает электронный спиновый переход при высоком давлении в недрах Земли. Ранее не было никакой информации о спиновых состояниях Fe(II) в границах зерен.
Моделирование теперь показывает, что электронное спиновое состояние Fe(II) в границах наклона зерен ферропериклаза контролируется структурными трансформациями границ зерен при высоком давлении в нижней мантии Земли. Этот механизм влияет на условия давления спинового кроссовера железа в поликристаллическом (Mg,Fe)O с микрометровыми или меньшими размерами зерен.
Полученные данные свидетельствуют о том, что давление спинового перехода железа в ферропериклазе может увеличиваться на несколько десятков ГПа из-за вызванных давлением структурных переходов границ зерен в динамически активных мелкозернистых областях нижней мантии по сравнению с более термодинамически стабильными областями в нижней мантии.
Хотя группа ученых довольна этими достижениями, для лучшего понимания коллективного влияния границ зерен на реологические и термодинамические свойства поликристаллического ферропериклаза при соответствующих давлениях и температурах в мантиях планет потребуются более систематические данные теоретического моделирования, а также экспериментов и наблюдений с помощью электронной микроскопии.
Информация от: Университетом Эхимэ
