Badanie mechaniki i termodynamiki granic ziaren (Mg,Fe)O pod wpływem ekstremalnego ciśnienia.
Na konwekcję w płaszczu i tektonikę płyt na planetach podobnych do Ziemi wpływa deformacja skał płaszcza. To odkształcenie ma miejsce, gdy defekty przemieszczają się w strukturach krystalicznych minerałów. Dlatego zrozumienie, jak te defekty zachowują się pod ciśnieniem, jest kluczowe dla uchwycenia dynamiki planet podobnych do Ziemi.
Wspólny zespół naukowców, kierowany przez dr Sebastiana Ritterexa, byłego postdoktora w Centrum Badań Geodynamiki na Uniwersytecie Ehime, a obecnie badacz na Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu w Utrechcie, zastosował masowe, równoległe, wysokowydajne symulacje komputerowe oparte na na modelowaniu mechaniki kwantowej w skali atomowej, aby rzucić nowe światło na zagadkowe zachowanie granic ziaren pod ekstremalnymi ciśnieniami panującymi we wnętrzach planet. Ta teoretyczna metodologia, zwana „od początku symulacje”, pozwala nam bardzo dokładnie obliczyć wiązania chemiczne. Jest to potężne narzędzie do określania właściwości materiałów w ekstremalnych warunkach we wnętrzach planet, gdzie trudno jest prowadzić eksperymenty.
Badanie ferroperyklazu w płaszczach planetarnych
W oparciu o powyższe teoretyczne podejście do fizyki minerałów zespół zbadał zachowanie mechaniczne i właściwości termodynamiczne nachylonych pod dużym kątem granic ziaren w ferroperyklazie (Mg,Fe)O, drugim najliczniejszym minerale w dolnym płaszczu Ziemi i prawdopodobnie w płaszczach egzoplanety superziemi. W tym badaniu, oprócz teorii funkcjonału gęstości standardowej, zastosowano wewnętrznie spójną metodę LDA+U w celu dokładniejszego odtworzenia struktury elektronowej żelaza.
Wyniki zachowań mechanicznych wskazują, że warunki bardzo wysokiego ciśnienia na planetach ziemskich mają silny wpływ na mechanizmy ruchu granic ziaren, które rządzą deformacją międzykrystaliczną. Badania wykazały po raz pierwszy, że przekształcenia strukturalne powierzchni międzyfazowych ziaren, wywołane ciśnieniem wraz ze wzrostem głębokości w płaszczach planet, powodują zmianę mechanizmu i kierunku ruchu granicy ziaren.
Zespół wykazał również, że pod ciśnieniem wielomegabarowym może dojść do znacznego mechanicznego osłabienia granic ziaren. Jest to sprzeczne z intuicją, ponieważ zwykle uważa się, że wraz ze wzrostem ciśnienia układy atomowe w materiałach stają się ściślej upakowane, co czyni je twardszymi. Zjawisko osłabienia granic ziaren spowodowane jest zmianą struktury stanu przejściowego granic ziaren podczas ich ruchu pod ekstremalnie wysokimi ciśnieniami.
Analizy ich danych przedstawione w Journal of Geophysical Research: Solid Earth opublikowane w kwietniu 2024 r. identyfikują osłabienie granic ziaren w ferroperyklazie jako jeden z potencjalnych mechanizmów redukcji lepkości wraz ze wzrostem głębokości płaszcza egzoplanet superZiemi.
Podział żelaza i stany wirowania
Zespół przeprowadził dodatkowe modelowanie termodynamiczne zachowania podziału żelaza pomiędzy granicami objętości i ziaren. Ustalili, że wielkość ziaren jest ważnym czynnikiem kontrolującym segregację żelaza na granicach ziaren w polikrystalicznym ferroperyklazie w gorącym i gęstym dolnym płaszczu. Powszechnie wiadomo, że wprowadzenie substytucyjnego Fe(II) do masowego MgO ma znaczący wpływ na jego właściwości fizyczne, takie jak gęstość i prędkość fal sejsmicznych, ponieważ Fe(II) ulega elektronowej przemianie spinowej pod wysokim ciśnieniem we wnętrzu Ziemi. Nie było wcześniej żadnych informacji na temat stanów spinowych Fe(II) w granicach ziaren. Nasze modelowanie pokazuje teraz, że stan elektronowego spinu Fe(II) w granicach pochylonych ziaren ferroperyklazy jest kontrolowany przez strukturalne transformacje granic ziaren pod wysokim ciśnieniem w dolnym płaszczu Ziemi.
Mechanizm ten wpływa na warunki ciśnienia przejścia spinu żelaza w polikrystalicznym (Mg,Fe)O o wielkości ziaren mikrometrycznych lub mniejszych. Odkrycia wskazują, że ciśnienie krzyżowe spinu żelaza w ferroperyklazie może wzrosnąć o kilkadziesiąt GPa w wyniku wywołanych ciśnieniem strukturalnych przejść granic ziaren w dynamicznie aktywnych drobnoziarnistych obszarach dolnego płaszcza w porównaniu z bardziej stabilnymi termodynamicznie obszarami dolnego płaszcza.
Grupa jest bardzo zadowolona z tych przełomów, jednakże potrzebne będą bardziej systematyczne dane z modelowania teoretycznego, a także z eksperymentów i obserwacji za pomocą mikroskopu elektronowego, aby uzyskać lepszy wgląd w zbiorowy wpływ granic ziaren na właściwości reologiczne i termodynamiczne polikrystalicznego ferroperyklazy w odpowiednie ciśnienia i temperatury w płaszczach planet.
Odniesienie: „Atomic-Scale Study of Intercrystalline (Mg,Fe)O in Planetary Mantles: Mechanics and Thermodynamics of Grain Boundaries Under Pressure”, Sebastian Ritterbex, Taku Tsuchiya, Martyn Drury i Oliver Plümper, 26 kwietnia 2024 r., Journal of Geophysical Research: Solid Earth.
DOI: 10.1029/2023JB028375
Badanie zostało sfinansowane przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki, Japońską Infrastrukturę Obliczeniową Wysokiej Skali oraz Europejską Radę ds. Badań Naukowych.
