Фазовые соотношения, структурные и электронные свойства ферропериклаза при высоких давлении и температуре

Глава 1. Литературный обзор. Структурные и физические свойства и фазовый состав в системе MgO-FeO, значение ферропериклаза в строении мантии Земли.

В Главе 1 <Литературный обзор. Структурные и физические свойства и фазовый состав в системе MgO-FeO, значение ферропериклаза в строении мантии Земли> рассмотрены и обобщены литературные данные о свойствах чистых компонентов MgO и FeO, а также твердого раствора (Mg,Fe)O. Кристаллохимия вюстита FeO при нормальных условиях достаточно сложна. Вюстит является нестехиометричным соединением, из-за замещения Fe²⁺ → Fe³⁺ и образования сопряженных катионных вакансий, внедрения трехвалентного железа в тетраэдрические пустоты и образования различных типов кластеров дефектов. Существует множество экспериментальных (из диффузионного рассеяния рентгеновских лучей [1]) и теоретических (компьютерное моделирование) данных [2] об устойчивости различных кластеров дефектов в структуре FeO. Степень нестехиометричности вюстита влияет на его упругие свойства, параметры решетки, мёссбауэровские спектры и фазовые границы [3]. Существующая на сегодняшний день <классическая> фазовая диаграмма вюстита [4] постоянно уточняется и дополняется. Существует предположение о существовании моноклинной разновидности стехиометричного FeO при низкой температуре, и теоретически предсказана стабильность моноклинной модификации и при высоком давлении. Повышение давления приводит к снижению содержания Fe3+ как в чистом FeO, так и в твердом растворе (Mg,Fe)O [5]. Антиферромагнитная структура FeO, существующая при низкой температуре, существует и при высоком давлении. При нормальном давлении температура Нееля варьируется в зависимости от состава [6], в то время как систематические исследования при высоком давлении отсутствуют.

Периклаз MgO, в противоположность вюститу, имеет относительно простые кристаллохимические свойства. MgO является практически единственным кристаллом, для которого экспериментально не было получено ни одной полиморфной модификации ни при высоком давлении, ни при высокой или низкой температуре, кроме единственной фазы со структурой типа хлористого натрия. Так как и Mg²⁺ и O^2- имеют заполненную внешнюю электронную оболочку, MgO является относительно простым соединением для компьютерного моделирования, как полуэмпирическими, так и ab initio методами.

Твердый раствор (Mg,Fe)O особенно интересен с точки зрения электронных свойств именно в силу столь различного поведения и свойств образующих его компонентов. Существуют некоторые данные о локальной структуре твердого раствора при нормальных условиях. Экспериментальные данные о возможном распаде твердого раствора в экспериментах с лазерным нагревом в камерах с алмазными наковальнями на сегодняшний момент противоречивы.

Знание минерального состава земных глубин основано на сочетании многих данных. Химический состав метеоритов и теория формирования Солнечной системы и Земли позволяют относительно точно установить химический состав земной мантии. Геофизические наблюдения об изменении скоростей сейсмических волн позволяют определить как глубины сейсмических границ, так и плотность и давление на различных глубинах. Объединяя эти данные с экспериментами по изучению фазовых равновесий минеральных систем, можно построить минеральную модель земной мантии [7]. Положение сейсмических границ при этом хорошо коррелирует с P,T-условиями фазовых превращений главных мантийных минералов. В соответствии с такой моделью, ферропериклаз (Mg,Fe)O является одной из основных фаз нижней мантии Земли, составляющей около 1/4 ее объема. Информация о структурных и электронных свойствах этой фазы при высоких давлении и температуре имеют огромное значение для понимания свойств всей нижней мантии Земли в целом. В последние годы активно обсуждается возможный спиновый переход в ферропериклазе в мантийных условиях и его возможные последствия для изменения плотности, сжимаемости и термической проводимости для мантии в целом.