Твердое внутреннее ядро Земли состоит из сплава железа, никеля и более легких элементов, из которых наиболее вероятными являются Si, S, O, H и C. Для определения химического состава внутреннего ядра необходимо установить диапазоны возможных составов, которые могли бы объяснять его наблюдаемые свойства. В последнее время возросло число публикаций, в которых в качестве возможных легких элементов ядра рассматриваются С и Н, но результаты этих исследований весьма противоречивы. Настоящая статья посвящена теоретическому исследованию систем Fe - C и Fe - H при давлениях внутреннего ядра Земли (330 - 364 ГПа) на основе первопринципных расчетов. С помощью эволюционного алгоритма USPEX предсказаны структуры всех возможных карбидов (FeC, Fe2C, Fe3C, Fe4C, FeC2, FeC3, FeC4, Fe7C3) и гидридов (Fe4H, Fe3H, Fe2H, FeH, FeH2, FeH3, FeH4) с минимальной энтальпией. Установлено, что при давлениях внутреннего ядра Fe2C (пространственная группа Pnma) является наиболее стабильным карбидом, а FeH, FeH3 и FeH4 представляют собой наиболее стабильные гидриды. Для Fe3C при этих условиях структура цементита (пространственная группа Pnma) и недавно найденная методом случайной выборки структура Cmcm оказались менее устойчивыми, чем предсказанные нами структуры с пространственными группамиI-4 и C2/m. Обнаружено, что FeH3 и FeH4 образуют интересные с точки зрения кристаллохимии термодинамически устойчивые структуры, в которых железо трехвалентно. Плотность ядра при релевантных значениях давления и температуры хорошо согласуется с таковой для сплава железа с разумным содержанием углерода: 11 - 15 молярных (2,6 - 3,7 весовых) процентов, что дает верхний предел содержания C во внутреннем ядре. Полученные значения, характерные для углистых хондритов СI, соответствуют средней атомной массе в диапазоне 49,3 - 51,0, что хорошо согласуется с выводами из закона Берча для внутреннего ядра. Полученные аналогичным образом верхние оценки содержания H нереалистично велики: 17 - 22 молярных (0,4 - 0,5 весовых) процентов, что соответствует средней атомной массе ядра 43,8 - 46,5. Углерод является более вероятным, чем водород, легким элементом внутреннего ядра.

Ключевые слова: Ядро Земли, сплавы железа, карбиды, гидриды