Estabilidad y diagrama de fase de aleaciones de hierro a condiciones de presión y temperatura del núcleo terrestre

Abstract

El núcleo es la capa más profunda de la tierra, representando el 32.5% de su masa y, subdividida en dos capas: el núcleo externo líquido y el núcleo interno solido (Hirose et al. 2013; Litasov et al. 2016). Una densidad de masa entre un 5% y 10%, menor a la densidad del hierro puro (Fe) y el salto de densidad de 4.5% entre el núcleo interno y externo, no es explicado por una transición de fase sólido y líquido del Fe. El azufre (S) es el candidato más fuerte para acompañar al Fe, esto mediante una aleación Fe1-xSx que sometida a condiciones de presión entre 130-350 GPa y temperatura entre 4000-7000 K, reproduciría la densidad y velocidad del sonido del núcleo. Utilizando la DFT, calculamos las propiedades estructurales, termodinámicas y vibracionales de los polimorfos de Fe, FeS y Fe3S sólidos, determinando sus estabilidades y descartando su presencia en el núcleo interno. Por otra parte, mediante Dinámica Molecular de Primeros Principios, calculamos las propiedades estructurales y dinámicas, la densidad y la velocidad del sonido compresional de las aleaciones líquidas de Fe(1-x)Sx con concentraciones de S de 5.8 a 16wt%. Los resultados indican que el núcleo interno está compuesto por mezclas eutécticas solidas de Fe-HCP+FeS-VI y Fe-HCP+FeS-VII, mientras que una concentración entre 12.8wt% y 13.8wt% de S explica el núcleo externo sólido, desconociendo así el valor exacto de la composición. La temperatura en la frontera entre núcleo interno y externo (ICB) es de 5200K, obtenida del diagrama de fase Fe-Fe3S que utilizó las temperaturas del Fe y el Fe3S, como referencia. Los resultados obtenidos en este trabajo aportan una explicación de las propiedades y composiciones de los núcleos interno y externo, sugiriendo en el futuro, la utilización de sistemas ternarios que expliquen con mayor precisión las propiedades y las composiciones del núcleo.