Инновационный рентгеновский метод позволяет проводить исследования образцов под высоким давлением в условиях глубокой мантии. Методика, разработанная командой под руководством Георга Шпикермана из DESY, Немецкого исследовательского центра геофизических исследований GFZ и Потсдамского университета, расширяет спектр инструментов, доступных для исследователей высокого давления. Успешные испытания нового метода на рентгеновском источнике света DESY PETRA III подтверждают идею о том, что тяжелые элементы должны накапливаться в магмах, чтобы они могли быть стабильными на глубинах нижней мантии Земли. Ученые представят свои работы в журнале Physical Review X .
Так называемые стандартные условия химии, то есть температура 25 градусов Цельсия и давление 1013 миллибар, на самом деле редки по природе. Большая часть материи во вселенной существует в совершенно разных условиях. Например, в недрах Земли давление и температура быстро возрастают во много раз по сравнению со стандартными условиями. «Однако даже при самом сложном глубоком бурении доступна только самая верхняя часть земной коры», — подчеркивает Шпикерманн. Поэтому исследователи моделируют условия внутри Земли в лаборатории, чтобы исследовать поведение вещества в этих условиях.
Такие эксперименты часто включают определение внутренней структуры образцов, которая во многих материалах изменяется с увеличением давления. Эта внутренняя структура может быть исследована с помощью рентгеновских лучей, которые достаточно энергичны, чтобы проникать в образец, и достаточно коротки по длине волны, чтобы разрешить мельчайшие детали атомных расстояний. Для этой цели в исследованиях высокого давления обычно используются два метода, основанных на рентгеновских лучах: поглощение и дифракция рентгеновских лучей через образец.
На основе рентгеновского излучения Шпикерманн и его команда в настоящее время разработали третий метод, который можно использовать для определения как расстояний связывания в сжатом аморфном (неупорядоченном) веществе, так и так называемого координационного числа , которое указывает, сколько прямых соседей атома есть. Эти параметры могут быть считаны из энергии и интенсивности излучения определенной линии излучения образца, называемой «Kβ» («K-beta-doubleprime»). Kβ «излучение генерируется, когда образец возбуждается рентгеновскими лучами , Энергия эмиссионной линии зависит от координационного числа, интенсивности от расстояния склеивания.
Эксперименты на экспериментальной станции P01 на рентгеновском источнике DESY PETRA III подтвердили новый метод. «Мы показали это, используя спектр германия в сжатом аморфном диоксиде германия, но эта процедура также может быть применена к другим химическим системам», — говорит Шпикерманн.
Метод предоставит ученым дополнительную технику для исследования структуры образцов высокого давления. «Понимание, обеспечиваемое новым методом измерения, особенно приветствуется, когда различные методы до сих пор приводили к существенно отличающимся результатам, как в случае сжатого аморфного диоксида германия», — объясняет исследователь DESY Ханс-Кристиан Вилле, руководитель измерительной станции P01. в котором эксперименты имели место.
В своих экспериментах исследователи подвергли образцы диоксида германия (GeO2) воздействию давления до 100 гигапаскалей, что примерно в миллион раз превышает атмосферное давление на уровне моря. Это давление соответствует глубине 2200 километров в нижней мантии Земли. Измерения показывают, что координационное число диоксида германия не поднимается выше шести даже при таком экстремальном давлении. Это означает, что даже в фазе высокого давления каждый из атомов германия все еще имеет шесть соседних атомов, что уже составляет 15 гигапаскалей.
Этот результат представляет большой интерес для исследования внутренних областей Земли, поскольку диоксид германия имеет такую же структуру и ведет себя как диоксид кремния (SiO2), который является основным компонентом природных магм в целом. Поскольку такие расплавы, как магма, обычно имеют более низкую плотность, чем твердые формы того же материала, долгое время оставалось загадкой, почему магмы на большой глубине не поднимаются к поверхности в течение геологических периодов.
«Есть два возможных объяснения этому, одно химическое, другое структурное», объясняет Шпикерманн. «Либо тяжелые элементы, такие как железо, накапливаются в расплаве, либо в расплавах существует специальный механизм уплотнения, который делает расплавы более плотными, чем кристаллические формы того же состава». Последнее было бы заметно, среди прочего, по увеличению координационного числа под высоким давлением.
«Наши исследования показывают, что до 100 гигапаскалей координационное число в некристаллическом диоксиде германия не выше, чем в соответствующей кристаллической форме», — сообщает исследователь. Применительно к диоксиду кремния это означает, что магма с более высокой плотностью может быть получена только путем обогащения относительно тяжелых элементов, таких как железо. Состав и структура нижней мантии имеют далеко идущие последствия для глобального переноса тепла и распространения магнитного поля Земли.
