Поведение системы Fe – S при высоких давлениях и состав ядра Земли

С помощью метода предсказания кристаллических структур USPEX определены термодинамически стабильные составы и кристаллические структуры соединений в системе Fe – S в диапазоне давлений 100 – 400 ГПа. Обнаружено, что при давлениях, характерных для внутреннего ядра Земли (330 – 364 ГПа), стабильны только два соединения: Fe$_2$S и FeS. При этом только Fe$_2$S может существовать в равновесии с железом во внутреннем ядре. На основе расчёта уравнения состояния Fe$_2$S показано, что плотность внутреннего ядра достигается, если внутреннее ядро содержит 10,6 – 13,7 мол.% (6,4 – 8,4 мас.%) серы. Аналогичные расчёты для FeSi, единственного стабильного при этом давлении силицида железа, позволяют воспроизвести плотность внутреннего ядра Земли при 9,0 – 11,8 мол.% (4,8 – 6,3 мас.%) кремния. Обе оценки дают фактически одинаковую среднюю атомную массу $\bar M$ в диапазоне 52,6 – 53,3, что значительно выше величины $\bar M$ =49,3, выведенной для внутреннего ядра из закона Бёрча. В случае кислорода (учитывая, что в условиях ядра в равновесии с железом может существовать субоксид Fe$_2$O) плотность внутреннего ядра можно объяснить содержанием 13,2 – 17,2 мол.% (4,2 – 5,6 мас.%) кислорода, что соответствует $\bar M$ в диапазоне 49,0 – 50,6. Мы определили четыре наиболее простые модели состава внутреннего ядра, воспроизводящие его плотность и $\bar M$: 1) 86 мол.% (Fe+Ni)+14 мол.% C; 2) 84 мол.% (Fe+Ni)+16 мол.% O; 3) 84 мол.% (Fe+Ni)+7 мол.% S+9 мол.% H; 4) 85 мол.