Инд. авторы:	Литасов К.Д., Попов З.И., Гаврюшкин П.Н, Овчинников С.Г., Федоров А.С.
Заглавие:	Первопринципные расчеты уравнений состояния и относительной стабильности карбидов железа при давлениях ядра земли
Библ. ссылка:	Литасов К.Д., Попов З.И., Гаврюшкин П.Н, Овчинников С.Г., Федоров А.С. Первопринципные расчеты уравнений состояния и относительной стабильности карбидов железа при давлениях ядра земли // Геология и геофизика. - 2015. - Т.56. - № 1-2. - С.214-223. - ISSN 0016-7886.
Внешние системы:	РИНЦ: 23063216;
Реферат:	eng: Recent experimental studies have demonstrated that Fe 3C is more stable than Fe 7C 3 under PT -conditions of the Earth’s core. Theoretical calculations at 0 K, in turn, show the possible stability of Fe 2C at the core pressures. Therefore, a theoretical modeling of iron carbides at ≤500 GPa is carried out. Energetically stable phases and the pressures of magnetic transitions at 0 K are determined. The parameters of magnetic transitions for Fe 7C 3 and Fe 3C are consistent with those determined in the previous papers. The phase transition from Pnnm to Pnma in Fe 2C at 28 GPa is estimated. At >100 GPa, Fe 2C loses its magnetic moment. Assuming carbon to be the only light element in the system, the first-principles calculations yield 2.7-2.9 and 2.0-2.2 wt.% C at the boundary of the inner core at 5000 and 7000 K, respectively. rus: Недавние экспериментальные исследования показали предпочтительную устойчивость Fe 3C при параметрах ядра Земли по отношению к Fe 7C 3. Теоретический расчет при 0 К, в свою очередь, показывает возможную стабильность карбида Fe 2C при давлениях ядра Земли. В связи с этим было проведено теоретическое моделирование карбидов железа при давлениях до 500 ГПа. Установлены давления магнитных переходов и энергетически устойчивые фазы при 0 К. Для карбидов Fe 7C 3 и Fe 3C параметры магнитных переходов согласуются с предыдущими данными. Фазовый переход в карбиде Fe 2C от пространственной группы Pnnm к Pnma определен при давлении 28 ГПа. Выше давления 100 ГПа у Fe 2C будет наблюдаться исчезновение магнитного момента. При допущении, что углерод является единственным легким элементом в системе, данные первопринципных расчетов показывают содержание углерода 2.7-2.9 и 2.0-2.2 мас. % при 5000 и 7000 К соответственно на границе внутреннего ядра.
Ключевые слова:	плотность; первопринципные расчеты (или квантово-химический); ядро Земли; карбид железа; magnetic moment; density; first-principles (or quantum-chemical) calculations; Earth's core; iron carbide; bulk modulus; модуль сжатия; магнитный момент;
Издано:	2015
Физ. характеристика:	с.214-223
Цитирование:	1. Бажанова З.Г., Оганов А.Р., Джанола О. Системы Fe-C и Fe-H при давлениях внутреннего ядра Земли // Успехи физических наук, 2012, т. 182, с. 521-530. 2. Добрецов Н.Л., Шацкий А.Ф. Глубинный цикл углерода и глубинная геодинамика: роль ядра и карбонатитовых расплавов в нижней мантии // Геология и геофизика, 2012, т. 53 (11), с. 1455-1475. 3. Литасов К.Д., Шарыгин И.С., Шацкий А.Ф., Гаврюшкин П.Н., Дорогокупец П.И., Соколова Т.С., Отани Э., Дымшиц А.М., Алифирова Т.А. P-V-T-уравнения состояния карбидов железа Fe3C и Fe7C3 и их соотношения в условиях мантии и ядра Земли // ДАН, 2013, т. 453, № 6, с. 666-670. 4. Соколова Т.С., Дорогокупец П.И., Литасов К.Д. Взаимосогласованные шкалы давлений на основании уравнений состояния рубина, алмаза, MgO, B2-NaCl, а также Au, Pt и других металлов до 4 Mбар и 3000 К // Геология и геофизика, 2013, т. 54 (2), с. 237-261. 5. Acet M., Herper H., Entel P., Wassermann E.F. The phase stability of ε-Fe alloys // J. De Physique IV, 2001, v. 11, p. 229-234. 6. Badro J., Côté A.S., Brodholt J.P. A seismologically consistent compositional model of Earth’s core // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, v. 111, p. 7542-7545. 7. Birch F. Density and composition of mantle and core // J. Geophys. Res., 1964, v. 69, p. 4377-4388. 8. Blochl P.E. Projector augmented-wave method // Phys. Rev., 1994, v. B 50, p. 17953-17979. 9. Chabot N.L., Campbell A.J., McDonough W.F., Draper D.S., Agee C.B., Humayun M., Watson H.C., Cottrell E., Saslow S.A. The Fe-C system at 5 GPa and implications for Earth’s core // Geochim. Cosmochim. Acta, 2008, v. 72, p. 4146-4158. 10. Chen B., Gao L., Lavina B., Dera P., Alp E.E., Zhao J., Li J. Magneto-elastic coupling in compressed Fe7C3 supports carbon in Earth’s inner core // Geophys. Res. Lett., 2012, v. 39, L18301, doi: 18310.11029/12012gl052875. 11. Chipman J. Thermodynamics and phase diagram of the Fe-C system // Metall. Mater. Trans., 1972, v. 3, p. 55-64. 12. Dewaele A., Loubeyre P., Occelli F., Mezouar M., Dorogokupets P.I., Torrent M. Quasihydrostatic equation of state of iron above 2 Mbar // Phys. Rev. Lett., 2006, v. 97, p. 215504. 13. Duman E., Acet M., Wassermann E.F., Itie J.P., Baudelet F., Mathon O., Pascarelli S. Magnetic instabilities in Fe3C cementite particles observed with FeK-edge X-ray circular dichroism under pressure // Phys. Rev. Lett., 2005, v. 94, p. 075502, doi: 075510.071103/PhysRevLett.075594.075502. 14. Dziewonski A.M., Anderson D.L. Preliminary reference Earth model // Phys. Earth Planet. Int., 1981, v. 25, p. 297-356. 15. Ekman M., Sadigh B., Einarsdotter K., Blaha P. Ab initio study of the martensitic bcc-hcp transformation in iron // Phys. Rev., 1998, v. B 58, p. 5296-5304. 16. Fiquet G., Badro J., Gregoryanz E., Fei Y., Occelli F. Sound velocity in iron carbide (Fe3C) at high pressure: Implications for the carbon content of the Earth’s inner core // Phys. Earth Planet. Int., 2009, v. 172, p. 125-129. 17. Fruchart D., Chaudouet P., Fruchart R., Rouault A., Senateur J. Etudes structurales de composes de type cementite: Effet de l’hydrogene sur Fe3C suivi par diffraction neutronique. Spectrometrie Mossbauer sur FeCo2B et Co3B dopes au 57Fe // J. Solid State Chem., 1984, v. 51, p. 246-252 (in French). 18. Gao L., Chen B., Wang J., Alp E.E., Zhao J., Lerche M., Sturhahn W., Scott H.P., Huang F., Ding Y., Sinogeikin S.V., Lundstrom C.C., Bass J.D., Li J. Pressure-induced magnetic transition and sound velocities of Fe3C: Implications for carbon in the Earth’s inner core // Geophys. Res. Lett., 2008, v. 35, L17306, doi:17310.11029/12008gl034817. 19. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas // Phys. Rev., 1964, v. 136, p. B864-B871. 20. Huang L., Skorodumova N.V., Belonoshko A.B., Johansson B., Ahuja R. Carbon in iron phases under high pressure // Geophys. Res. Lett., 2005, v. 32, L21314. 21. Kohn W., Sham L.J. Self-consistent equations including exchange and correlation effects // Phys. Rev., 1965, v. 140, p. A1133-A1138. 22. Kresse G., Furthmuller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev., 1996, v. B 54, p. 11169-11186. 23. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Phys. Rev., 1999, v. B 59, p. 1758-1775. 24. Li J., Fei Y. Experimental constraints on core composition // Treatise on geochemistry / Eds. H.D. Holland, K.K. Turekian. Oxford, Elsevier, Pergamon, 2003, p. 521-546. 25. Li J., Fei Y. Experimental constraints on core composition // Treatise on geochemistry (Second edition) / Eds. H.D. Holland, K.K. Turekian. Oxford, Elsevier, 2014, p. 527-557. 26. Lin J.F., Struzhkin V.V., Mao H.K., Hemley R.J., Chow P., Hu M.Y., Li J. Magnetic transition in compressed Fe3C from X-ray emission spectroscopy // Phys. Rev., 2004, v. B 70, p. 212405, doi: 212410.211103/PhysRevB.212470.212405. 27. Litasov K.D., Sharygin I.S., Dorogokupets P.I., Shatskiy A., Gavryushkin P.N., Sokolova T.S., Ohtani E., Li J., Funakoshi K. Thermal equation of state and thermodynamic properties of iron carbide Fe3C to 31 GPa and 1473 K // J. Geophys. Res.: Solid Earth, 2013, v. 118, p. 5274-5284, doi: 10.1002/2013JB010270. 28. Lord O.T., Walter M.J. The melting curve of Fe3C to 73 GPa // Geochim. Cosmochim. Acta, 2007, v. 71, p. A596-A596. 29. Mookherjee M. Elasticity and anisotropy of Fe3C at high pressures // Amer. Miner., 2011, v. 96, p. 1530-1536. 30. Mookherjee M., Nakajima Y., Steinle-Neumann G., Glazyrin K., Wu X., Dubrovinsky L., McCammon C., Chumakov A. High-pressure behavior of iron carbide (Fe7C3) at inner core conditions // J. Geophys. Res.: Solid Earth, 2011, v. 116, B04201, doi:04210.01029/02010jb007819. 31. Nakajima Y., Takahashi E., Suzuki T., Funakoshi K. «Carbon in the core» revisited // Phys. Earth Planet. Int., 2009, v. 174, p. 202-211. 32. Nakajima Y., Takahashi E., Sata N., Nishihara Y., Hirose K., Funakoshi K., Ohishi Y. Thermoelastic property and high-pressure stability of Fe7C3: Implication for iron-carbide in the Earth’s core // Amer. Miner., 2011, v. 96, p. 1158-1165. 33. Occelli F., Loubeyre P., LeToullec R. Properties of diamond under hydrostatic pressures up to 140 GPa // Nat. Mater., 2003, v. 2, p. 151-154. 34. Ono S., Mibe K. Magnetic transition of iron carbide at high pressures // Phys. Earth Planet. Int., 2010, v. 180, p. 1-6. 35. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Lett., 1996, v. 77, p. 3865-3868. 36. Poirier J.P. Introduction to the physics of the Earth’s interior. 2nd ed. Cambridge, UK, Cambridge Univ. Press, 2000, 312 p. 37. Prescher C., Dubrovinsky L., McCammon C., Glazyrin K., Nakajima Y., Kantor A., Merlini M., Hanfland M. Structurally hidden magnetic transitions in Fe3C at high pressures // Phys. Rev., 2012, v. B 85, p. 140402, doi: 140410.141103/PhysRevB.140485.140402. 38. Sata N., Hirose K., Shen G., Nakajima Y., Ohishi Y., Hirao N. Compression of FeSi, Fe3C, Fe0.95O, and FeS under the core pressures and implication for light element in the Earth’s core // J. Geophys. Res.: Solid Earth, 2010, v. 115, B09204, doi: 09210.01029/02009jb006975. 39. Seagle C.T., Campbell A.J., Heinz D.L., Shen G., Prakapenka V.B. Thermal equation of state of Fe3S and implications for sulfur in Earth’s core / J. Geoph. Res., 2006, v. 111 (B6), B06209, doi:10.1029/2005jb004091. 40. Souriau A. Deep Earth structure - The Earth’s cores // Treatise on geophysics / Ed. G. Schubert. Amsterdam, Elsevier, 2007, p. 655-693. 41. Strong H.M., Chrenko R.M. Further studies on diamond growth rates and physical properties of laboratory-made diamonds // J. Phys. Chem., 1971, v. 75, p. 1838-1843. 42. Takahashi S., Ohtani E., Sakai T., Hirao N., Ohishi Y. Determination of stability and melting relations of Fe3C by in situ X-ray diffraction experiments: Implication for the carbon in the Earh’s core // Abst. G-COEsymposium «Achievements of G-COE program for Earth and planetary dynamics», Sendai, Japan, 2012, p. 166. 43. Tsuzuki A., Sago S., Hirano S.I. High-temperature and pressure preparation and properties of iron carbides Fe7C3 and Fe3C // J. Mater. Sci., 1984, v. 19, 2513-2518. 44. Vinet P., Ferrante J., Rose J.H., Smith J.R. Compressibility of solids // J. Geophys. Res., 1987, v. 92, p. 9319-9325. 45. Vocadlo L., Brodholt J., Dobson D.P., Knight K.S., Marshall W.G., Price G.D., Wood I.G. The effect of ferromagnetism on the equation of state of Fe3C studied by first-principles calculations // Earth Planet. Sci. Lett., 2002, v. 203, p. 567-575. 46. Weerasinghe G.L., Needs R.J., Pickard C.J. Computational searches for iron carbide in the Earth’s inner core // Phys. Rev., 2011, B 84, p. 174110, doi: 174110.171103/PhysRevB.174184.174110. 47. Wood B.J. Carbon in the core // Earth Planet. Sci. Lett., 1993, v. 117, p. 593-607. 48. Wood B.J., Li J., Shahar A. Carbon in the core: Its influence on the properties of core and mantle // Rev. Miner. Geochem., 2013, v. 75, p. 231-250. 49. Wood I.G., Vocadlo L., Knight K.S., Dobson D.P., Marshall W.G., Price G.D., Brodholt J. Thermal expansion and crystal structure of cementite, Fe3C, between 4 and 600 K determined by time-of-flight neutron powder diffraction // J. Appl. Crystallogr., 2004, v. 37, p. 82-90. 50. Zhang Y., Yin Q.-Z. Carbon and other light element contents in the Earth’s core based on first-principles molecular dynamics // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, v. 109, p. 19579-19583.