高温高圧下での鉄合金の密度・弾性波速度測定実験から探る地球惑星中心核

通过实验测量铁合金在高温高压下的密度和弹性波速来探索地球的行星核心。

• 批准号: 26887006
• 负责人: 柴崎 裕樹
• 金额: $ 0.83万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-08-29 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-26887006/
• 关键词: 地球惑星内部構造; 高温高圧; 金属物性

地震学的に見積もられている地球核の密度が純鉄の密度より小さいことから、核は鉄と様々な軽元素で構成されていると考えられている。この軽元素の種類や量を解明するために、鉄や鉄合金の高温高圧下での密度や弾性波速度の測定がなされている。この測定値と観測値を比較する際、"弾性波速度－密度"の関係が一般的に用いられる。経験則として、この関係は温度・圧力に関係なく線形関係にあることが知られているのだが（バーチ則）、近年の理論的・実験的な研究により、高温では線形関係から逸脱することが指摘されている。しかしながら、測定手法などの問題もあり、温度変化の小さな縦波速度(Vp)を用いた議論が多く、バーチ則の温度依存性について共通の見解を得られていない。そこで本研究では、このバーチ則の温度依存性について定量的に議論を行うため、固体鉄についてVpだけでなく、温度変化の大きな横波速度(Vs)も高温高圧下で測定することを目指した。実験は、温度・圧力制御に優れたマルチアンビル型高温高圧発生装置と、他の手法と異なりVp, Vs両方を直接測定可能な超音波法を用いて、固体鉄(bcc-Fe)の弾性波速度を約7万気圧, 600℃までの温度圧力条件で測定した。これに加え、高温高圧X線その場回折によって密度も測定した。実験は放射光施設SPring-8で行った。本研究結果によると、bcc-Feについては、密度一定で見た時、Vp, Vs共に温度上昇とともに速度が低下し線形から逸脱することが分かった。この温度の効果は、VpよりもVsの方が顕著であった。また、先行研究により報告されているFeSiのバーチ則の温度依存性と比較すると、bcc-Feの方が大きな温度依存性を持つことが分かった。このことは、軽元素によって温度依存性に違いが出ることを示しており、今後、核の軽元素量を議論する際に、一つの指針を示すことが出来た。

由于地球的核估计比纯铁小，因此认为核是由铁和各种光元素组成的。为了阐明这些光元的类型和量，铁和铁合金的密度和弹性波速度是在高温和高压下测量的。在将该测量与观察结果进行比较时，通常使用“弹性波速度密度”之间的关系。根据经验，众所周知，这种关系是线性的，无论温度或压力如何（桦木的规则），但是最近的理论和实验研究指出，在高温下，它偏离了线性关系。但是，由于诸如测量方法之类的问题，使用纵向波速度（VP）进行了很多讨论，温度变化较小，并且没有关于桦木规则的温度依赖性的共同观点。因此，在这项研究中，为了定量讨论该桦木规则的温度依赖性，我们的目的不仅衡量VP，而且还要测量在高温和高压固体铁下的温度变化较大的横波速度（VS）。实验是使用具有良好温度和压力控制的多型型高温和高压发电机进行的，以及一种超声波方法，与其他方法不同，可以直接测量VP和VS，并测量大约70,000 ATM和600,000°C的固体铁（BCC-FE）的弹性波速度（BCC-FE）。另外，还通过高温高压X射线的原位衍射来测量密度。该实验是在同步辐射设施Spring-8上进行的。根据这项研究的结果，当以恒定密度查看时，VP和VS VP都随温度升高而降低并偏离线性。对于VS而言，该温度的效果比对于VP更明显。此外，与FESI桦木定律的温度依赖性相比，在先前的研究中已经报道了BCC-FE的温度依赖性更大。这表明光元素在温度依赖性上可能会有所不同，并且在讨论未来细胞核中的光元素量时，我们能够提供指南。

项目成果

超音波法を用いた固体鉄の高温高圧下での弾性波速度測定

超声波法测量高温高压下实心铁的弹性波速

• 发表时间: 2015
• 作者: 柴﨑裕樹;西田圭佑;肥後祐司;五十嵐愛子;田原政樹;坂巻竜也;寺崎英紀;下山裕太;桑原荘馬;田窪勇作;大谷栄治
• 通讯作者: 大谷栄治

超音波法を用いた鉄の弾性波速度の温度・圧力依存性の決定

用超声波法测定铁中弹性波速度的温度和压力依赖性

• 发表时间: 2015
• 作者: 柴崎裕樹;西田圭佑;肥後祐司;丹下慶範
• 通讯作者: 丹下慶範