ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 7, с. 26-30
УДК 539.89
УДАРНОЕ СЖАТИЕ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА С КРЕМНИЕМ. ВОЗМОЖНОЕ СОДЕРЖАНИЕ КРЕМНИЯ В ЯДРЕ ЗЕМЛИ
© 2007 г. А. И. Фунтиков
Институт теплофизики экстремальных состояний РАН, г. Москва Поступила в редакцию 17.02.2006 г.
Результаты ударно-волновых исследований сплавов железа с кремнием сопоставляются с данными статических измерений. Рассмотрена возможность представления данных и параметров уравнения состояния в виде интерполяционных зависимостей от атомной доли входящих в сплав компонентов. Полученные данные использованы для расчета ударных адиабат с разным содержанием кремния и сравнения с имеющимися модельными представлениями о распределении плотности во внешнем ядре Земли.
Ключевые слова: фазовые переходы, плавление, ударная адиабата, ядро Земли. РАС8: 91.60.Fe
ВВЕДЕНИЕ
Установление химического состава ядра Земли является одной из основных задач геофизики, с которой связано решение тех или иных геофизических проблем. В частности, это вопросы образования и эволюции планеты Земля, дифференциации ее состава и современного строения. Первоначальные представления о структуре Земли были получены из интерпретации сейсмических измерений и их сопоставления с параметрами веществ в области высоких давлений, отвечающих внутренним областям Земли. Сравнительно давно было установлено наличие внутреннего ядра Земли, которое принято считать железным и полагалось твердым. Внешнее ядро -жидкое, состоит из железа с небольшим содержанием легких элементов - O, S, Si, устраняющим различие плотности чистого железа при давлении внешнего ядра -от 140 д о 330 ГПа с расчетными оценками [Poirier, 1994].
Природа легких элементов тесно связана с моделью формирования ядра. Первоначально предпочтение отдавалось Si. Рингвуд рассчитал, в частности, исходя из аналогии с составом метеоритов, что содержание Si во внешнем ядре должно составлять около 18 вес. % [Ringwood, 1977]. В настоящее время это предположение существенно не изменилось. Хотя четкого предпочтения одному из элементов не отдается, Si остается традиционным кандидатом в состав ядра. Однако вместе с Si возможно также частичное присутствие O и S. В этом случае содержание Si снижается до 7-8 % [Anderson, Isaak, 2002]. Основное требование по составу исходит из того, что легкие элементы или их соединения должны оставаться стабильно растворимыми в жидком желе-
зе при соответствующих давлениях, т.е. отсутствовать стратификация во внешнем ядре.
Из принятой модели холодной аккреции полагалось (Рингвуд, 1977; 1991), что образование ядра происходит в процессах восстановления Fe и Si из оксидов с помощью свободного углерода и СО аналогично мартеновским. Уточнение состава ядра связано с выбором моделей теплой истории Земли и распределения температуры
Первой работой, в которой для проверки модельных представлений о распределении плотности в ядре Земли использовались результаты исследований ударной сжимаемости металлов до давлений ~500 ГПа, а также оливина и серного колчедана до давлений ~300 ГПа, явилась работа, озаглавленная "О внутреннем строении Земли" [Альтшулер, Кормер, 1961]. Из сравнения ударных адиабат этих веществ с модельными расчетными зависимостями -Р(р) внутри ядра Земли был сделан вывод о значительном содержании (~90%) железа во внешнем ядре и близком к железонике-левому составе внутреннего ядра. В то же время была отвергнута гипотеза Лодочникова-Рамзея об однородном составе Земли из силикатов, в которой предполагалось значительное повышение их плотности с ростом давления за счет фазового перехода на границе мантии с ядром.
Следующей по этому вопросу явилась работа [Кормер, Фунтиков, 1965] по ударной сжимаемости ферросилиция. В представленной работе результаты по ударному сжатию сплавов Fe и Si проанализированы в совокупности с появившимися в последующем данными динамических и статических измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЫ И СТАТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ
Исходное состояние этих сплавов Fe-Si при нормальных условиях допускает растворение Si в Fe в широкой области концентраций Si. Кремний, как и углерод, образует с железом твердые растворы внедрения. Эвтектика появляется при 1480 K и отвечает 18-20 вес. % Si. Чистому Fe при P = 1 атм соответствуют фазы а (оцк) и у (гцк). Характерные точки сплавов отвечают образованию интерметаллических соединений Fe2Si, Fe5Si3, Fe-Si и др., которые могут присутствовать в сплаве после кристаллизации в виде зерен. Стабилизированная Si оцк фаза (феррит) отвечает исходным состояниям Fe-Si с содержанием aSi < 20 вес. %. Для aSi ~ 18 вес. % наблюдалась структура В2 (Pm3m), близкая к несколько деформированной структуре типа NaCl. Соединения с aSi > 20 вес. % также отвечают структуре типа В2 и близкой к ней структуре В20 (Р2Х3), которую для FeSi называют e-FeSi. Для FeSi, кроме стабильной структуры типа В20, путем закалки была получена также структура типа CsCl.
При P = 16 ГПа в зависимости от содержания Si на фазовой диаграмме T(aSi) сплава появляются области смешенных фаз для aSi = 4-8 вес. % - оцк-гпу при T < 1000 K и оцк-гцк при T > 1000 K, а также оцк-гпу при T ~ 1000 К [Lin et al., 2002]. Переход оцк-гпу, как и в Fe, наблюдался для aSi < 4 вес. %. С увеличением aSi > 9-10 вес. % при давлении 16 ГПа зарегистрирован переход в фазу оцк. Сдвиг фазовых границ с ростом давления не ограничивал растворимость Si в сплавах Fe-Si.
Трансформация фазовой T-P диаграммы Fe-Si прослежена для Feg5Si15 (xSi = 15 ат. %, aSi = 7.9 вес. %) до давления 55 ГПа в работе [Lin et al., 2003] (рис. 1). Кривая плавления Fe принята по данным работы [Фунтиков, 2003]. В последних измерениях [Kubo et al., 2003] показано отсутствие в-фазы Fe в области давлений до 44 ГПа и некоторое смещение вправо фазовой границы y-e при этих давлениях.
Изобарический переход в Fe85Si15 от исходной фазы оцк при T < 750 К в более плотную фазу гпу, в отличие от a-e перехода в Fe, размазывается и соответствует состояниям оцк + гцк. Далее происходит переход в гпу. Появилась также промежуточная область смешенных состояний оцк + гпу до перехода в гпу.
Для сплавов с небольшим содержанием Si (xSi = = 9 ат. %) Si служит стабилизатором фазы оцк и переход оцк-гцк был зарегистрирован на 300 К выше, чем в Fe при T = 1070 К и P = 7.4 ГПа.
Как и для Fe до aSi < 20 в ес. % c ростом давления происходит фазовый переход оцк-гпу. В отличие от перехода оцк-гпу в Fe при P = 11 ГПа T = 750 К для aSi ~ 17 вес. % переход начинался при давлении 16 и завершался при 36 ГПа.
Соединения с aSi > 20 вес. % относительно стабильны. Для Fe71Si29 структура Б2 типа CsCl со-
T, K
3000
2000 5
1000
0 20 40 60 80 100
P, ГПа
Рис. 1. Фазовая диаграмма Fe85Si^ [Lin et al., 2003] и
Fe [Фунтиков, 2003].
Сплошные линии - Fe85Si15, пунктир - Fe.
хранялась во всем диапазоне давлений. Для e-FeSi перехода из Б20 в другую, более плотную структуру, не наблюдалось. Для FeSi с начальной структурой B2 фазовый переход в структуру В20 был зарегистрирован при P = 24 ГПа и T = 1950 К.
Следует отметить, что эффект влияния Si на фазовую диаграмму T-P сопоставим с влиянием Ni, но проявляется более сильно [Lin et al., 2002].
Кривая плавления эвтектики Fe71Si29 показала плавное нарастание температуры с ростом давления [Yang, Secco, 1999] (рис. 2). В области давлений до 6 ГПа не было замечено особенностей, характерных для Fe (тройная точка при P = 5.1 ГПа).
ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ДАННЫХ ПО ИЗОТЕРМИЧЕСКОМУ СЖАТИЮ ПРИ T = 300 К
Статическое сжатие на изотерме T = 300 К определялось для сплавов: aSi = 7.9, 17 и 33.5 вес. % (Fe85Si15, Fe71Si29, FeSi) до P ~ 55 ГПа [Lin et al., 2003, Knittle, Williams, 1995, Djbson et al., 2003] для aSi = 8.7 вес. % до P = 196 ГПа и aSi = 17.8 вес. % до 124 ГПа [Hiaro et al., 2003].
Изменение плотности начальных состояний при нормальных условиях сплавов Fe-Si от атомной доли xSi показано на рис. 3. Кривая 1 - экспериментальные данные при нормальных условиях. Оказалось, что, несмотря на изменение исходной структуры с увеличением содержания Si от оцк до Б2-Б20, данные ложатся на единую линейную зависимость. Кривая 2 - это результаты, включающие экстраполяцию данных на изотермах к на-
P, ГПа
Рис. 2. Кривые плавления Fe71SÍ29 (а§; = 17 вес. %) -эксперимент [Yang, Secco, 1999], Fe2Si (as¡ = 20 вес. %) -расчет (настоящая работа) и Fe - [Фунтиков, 2003]. Сплошные линии - кривые плавления, пунктир - фазовая граница 8-у Fe.
Рис. 3. Зависимости плотности начальных состояний при нормальных условиях сплавов Fe-Si от атомной доли xs¡: 1 - экспериментальные данные; 2 - экстраполяция на изотермах к начальной плотности; 3 - расчет по аддитивному сложению удельных объемов Fe и Si.
чальной плотности и отвечающие в основном более плотной структуре типа Б20, реализующейся для сплавов с начальной структурой оцк выше давления фазового перехода. Различие кривых 1 и 2 наблюдается при небольшом содержании Si, когда проявляется стабилизация Si структуры оцк. Кривая 3 - расчет по аддитивному сложению удельных объемов компонентов, т.е. Fe и Si. Видно, что для сплавов Fe-Si правило аддитивности, широко используемое для других сплавов и двух-компонентных систем, в частности, в работах Р.Ф. Трунина [Белякова и др., 1991], не соблюдается. Это связано с особенностями фазовой диа-
Таблица 1. Интерполяционные зависимости параметров ударных адиабат, изэнтроп и уравнения состояния сплавов Fe-Si от атомной доли Si
Mix = Mi(1 - XS¡) + M2XSÍ Mmix M1 M2
D = a0 + a1U P01, г/см3 7.860 -2.939
a0, км/с 3.51 5.38
a1 1.785 -1.431
Px = (3K/2)[(P/P02)7/3 - P01, г/см3 8.20 -3.88
- (p/p02)5/3]{1 + 0.75 x к 0 6.072 -3.153
x (K0 - 4)[(p/p02)2/3 - 1]} K0, ГПа 135.6 96.6
P = Px + ypEt Yp = 13.5 г/см3
Et = CV(T - T>) Cv, кДжДкг K) 0.4466 0.4424
граммы Fe-Si, указанными выше, т.е. образованием интерметаллических соединений.
Большинство изотерм T = 300 К для изученных сплавов для верхней области давлений соответствуют состояниям плотных фаз. Изменение параметров изотерм в уравнениях типа Бирча-Мурнага-на с изменением доли Si несколько противоречиво,
что отражается на зависимостях K0(xSi), K0 (xSi). Это связано как
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.