Введение

Фаза высокого давления силиката магния. Постперовскит (pPv) — это фаза высокого давления силиката магния (MgSiO3). Он состоит из основных оксидных компонентов скалистой мантии Земли (MgO и SiO2), а условия его стабильности по давлению и температуре указывают на то, что он, вероятно, встречается в частях нижних нескольких сотен километров мантии Земли. Фаза постперовскита имеет значение для слоя D″, который влияет на конвективное перемешивание в мантии, ответственное за тектонику плит. Постперовскит имеет ту же кристаллическую структуру, что и синтетическое твердое соединение CaIrO3, и часто в литературе упоминается как "фаза типа CaIrO3 силиката магния (MgSiO3)". Кристаллическая система постперовскита — орторомбическая, его пространственная группа — Cmcm, а структура представляет собой стопку октаэдрических листов SiO6 вдоль оси b. Название "постперовскит" происходит от силикатного перовскита, стабильной фазы MgSiO3 на большей части мантии Земли, который имеет перовскитную структуру. Приставка "пост-" указывает на то, что он образуется после перовскита силиката магния (MgSiO3) при увеличении давления (и исторически, в ходе развития физики минералов высоких давлений). При давлениях верхней мантии, близких к поверхности Земли, MgSiO3 сохраняется в виде силикатного минерала энстатита — минерала, образующего пироксены, который встречается в магматических и метаморфических породах земной коры.

История

Фаза типа CaIrO3 фазы MgSiO3 была обнаружена в 2004 году с использованием метода лазерного нагрева в ячейке с алмазными наковальнями (LHDAC) группой ученых из Токийского технологического института и, независимо от них, исследователями из Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich) и Японского агентства морских наук и технологий Земли, которые использовали сочетание квантово-механического моделирования и экспериментов с LHDAC. Статья группы TIT была опубликована в журнале Science. Совместная статья ETH/JAMSTEC и вторая статья группы TIT появились два месяца спустя в журнале Nature. Этому одновременному открытию предшествовало экспериментальное открытие С. Оно аналогичной фазы, имеющей точно такую же структуру, в Fe2O3.

Физические свойства

Постперовскит имеет слоистую структуру, благодаря которой сжимаемость по оси b выше, чем по осям a или c. Эта анизотропия может обуславливать пластинчатую форму кристаллов, ориентированных параллельно плоскости (010); сейсмическая анизотропия, наблюдаемая в области D", может быть качественно (но не количественно) объяснена этой особенностью. Теория предсказала скольжение по плоскости (110), связанное с особенно благоприятными дефектами упаковки, что было подтверждено последующими экспериментами. Некоторые теоретики предсказывали и другие системы скольжения, которые ожидают экспериментального подтверждения. В 2005 и 2006 годах Оно и Оганов опубликовали две статьи, в которых предсказывали, что постперовскит должен обладать высокой электропроводностью, возможно, на два порядка превышающей электропроводность перовскита. В 2008 году группа Хиросе опубликовала экспериментальный отчет, подтверждающий это предсказание. Высокопроводящий слой постперовскита может объяснить наблюдаемые десятилетние вариации длины дня.

Химические свойства

Еще один потенциально важный эффект, который необходимо лучше изучить для фазового перехода после перовскита, – это влияние других химических компонентов, которые в той или иной степени присутствуют в самой нижней части мантии Земли. Давление фазового перехода (характеризуемое двухфазной петлей в этой системе) изначально предполагалось уменьшающимся с увеличением содержания FeO, однако некоторые недавние эксперименты указывают на обратное. Тем не менее, возможно, что эффект Fe2O3 более значим, поскольку большая часть железа в постперовските, вероятно, находится в трехвалентном состоянии (в виде железа(III)). Такие компоненты, как Al2O3 или более окисленный Fe2O3, также влияют на давление фазового перехода и могут сильно взаимодействовать друг с другом. Влияние переменного химического состава нижней мантии Земли на фазовый переход после перовскита ставит вопрос о термической и химической модуляции его возможного проявления (вместе с любыми связанными с ним разрывами) в слое D".

Резюме

Экспериментальные и теоретические работы по переходу в фазу перовскита/постперовскита продолжаются, однако многие важные особенности этого фазового перехода остаются недостаточно изученными. Например, наклон Клэперона (определяемый соотношением Клаузиуса — Клэперона), описывающий увеличение давления фазового перехода с ростом температуры, известен как относительно высокий по сравнению с другими твердофазными переходами в мантии Земли, однако экспериментально определенное значение колеблется от примерно 5 МПа/К до 13 МПа/К. Расчеты ab initio дают более узкий диапазон – от 7,5 до 9,6 МПа/К, и, вероятно, являются наиболее достоверными оценками на сегодняшний день. Расхождения в экспериментальных оценках возникают главным образом из-за использования различных материалов в качестве стандартов давления в экспериментах с алмазными наковальнями. Хорошо изученное уравнение состояния для стандарта давления, в сочетании с высокоэнергетическими синхротронными дифракционными данными стандарта давления (который смешивается с экспериментальным образцом), позволяет получить информацию об условиях давления и температуры эксперимента. Однако, поскольку эти экстремальные давления и температуры недостаточно исследованы в экспериментах, уравнения состояния для многих распространенных стандартов давления пока недостаточно хорошо определены и часто приводят к различным результатам. Другим источником неопределенности в экспериментах LHDAC является измерение температуры по тепловому излучению образца, необходимое для определения давления на основе уравнения состояния стандарта давления. В экспериментах с лазерным нагревом при таких высоких давлениях (свыше 1 миллиона атмосфер) образцы неизбежно малы, и для оценки температуры требуется множество приближений (например, предположение о сером теле).