Sound velocity measurements of liquid Fe and Fe-S under Martian core conditions: Validation of the velocity crossover between liquid Fe and Fe-S

火星核心条件下液态 Fe 和 Fe-S 的声速测量：液态 Fe 和 Fe-S 之间速度交叉的验证

• 批准号: 17K14379
• 负责人: 西田 圭佑
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-01 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17K14379/
• 关键词: 火星; 核; 液体; 鉄硫黄合金; 音速; 高温高圧; 超音波; 火星核; 鉄―硫黄系合金

今年度は、昨年度に引き続き、Fe用に開発した高圧セルを用いて、データ間隔が空いている条件や測定精度に問題があった条件においてFeおよびFe80S20メルトの音速測定実験を行った。さらに、新たに試料のX線画像の差分から融解判定を行う手法を確立し、これまでは全溶融とみなしていた極僅かに固相が残った状態の測定データを部分溶融として省けるようにした。その結果、Fe-FeSメルトの音速の組成、圧力依存性を精度よく議論することが可能になった。Feメルトの音速の圧力依存性は小さいが、Fe57S43メルトの音速の圧力依存性は大きく、Fe57S43メルトの音速は急激に増加するため、20GPa付近で速度差は小さくなる。Fe80S20メルトの音速は、10GPa付近までは、Fe57S43メルトと似た増加傾向を示すが、10GPa付近で勾配が変化し、それより高い圧力ではFeメルトと似た増加傾向を示す。固相での圧縮曲線を比較すると、スピン転移を伴うFeS V相の体積変化は、FeやFe3Sの体積変化に比べ非常に大きい。また、常圧のFe-Ni-Sの音速測定によると、水のように温度の上昇に伴い速度が増加する異常な傾向が報告されている。このような異常な振舞いは、2つの構造が共存することを示唆する。実際、常圧のFe-FeS系は、過冷却領域に2液相分離領域をもつ相分離傾向の液体であり、Se-Te系のように中間組成領域でFe様構造とFeS様構造の共存していることは十分に考えられる。熱力学的には、この不均質な構造が10GPa付近で解消されると考えられており、この2つの効果を組み合わせることで、Fe80S20メルトの音速の圧力変化をうまく説明することができる。上記を考慮し、火星核条件（約20-40GPa）でのFe-FeSメルトの音速を見積もったところ、火星核条件では硫黄量で音速がほとんど変わらないことが明らかになった。

今年，在去年之后，我们使用为FE开发的高压细胞对FE和FE80S20进行了大声的速度测量实验，在可用的数据间隔或测量精度的条件下是有问题的。此外，已经建立了一种新方法来根据样品的X射线图像的差异确定熔融，并且可以将非常小的固相的测量数据（以前被认为是总熔体）作为部分熔化省略。结果，已经有可能准确地讨论Fe-Fes熔体声速的组成和压力依赖性。尽管Fe57S43熔体的声速的压力依赖性很小，但Fe57S43熔体熔体的声速的压力依赖性急剧增加，因此速度差在20GPA左右很小。 FE80S20熔体的声速显示出类似于FE57S43融化到10GPA的趋势的增加趋势，但梯度在10GPA左右发生变化，在较高的压力下，它显示出类似于FE Melelt的趋势。比较固相中的压缩曲线，FES V相的体积变化与自旋跃迁明显大于Fe和Fe3s的体积。此外，根据大气压Fe-ni-S的声速测量值，据报道，异常趋势随着温度（如水）的升高而增加。这种异常行为表明这两个结构并存。实际上，大气压FE-FES系统是一种具有相分离趋势的液体，在超冷区域中具有两液相分离区域，并且完全可以想象，类似Fe的结构和FES样结构在中间组成区中共存，例如SE-TE系统。人们认为热力学可以解决10 GPA左右的这种异质结构，并且结合这两种效果可以成功解释FE80S20熔体声速的压力变化。考虑到上述情况，我们估计了在火星核条件下（大约20-40 GPA）下Fe-FES熔体的声速，并且发现在MARS核条件下的硫量几乎没有变化。

项目成果

Highly accurate sound velocity measurement in liquid Fe-S system under high pressure

高压液态铁硫体系中高精度声速测量

• 发表时间: 2017
• 期刊: Photon Factory Highlights 2016
• 作者: Keisuke Nishida;Akio Suzuki;Yuki Shibazaki;Daisuke Wakabayashi;Nobumasa Funamori
• 通讯作者: Nobumasa Funamori

川井型プレスを用いたX線イメージング吸収法による固体鉄の密度測定

使用 Kawai 型压力机通过 X 射线成像吸收法测量固体铁的密度

• 发表时间: 2017
• 作者: 寺崎英紀;下山裕太;西田圭佑;坂巻竜也;柴崎裕樹;肥後祐司;丹下慶範
• 通讯作者: 丹下慶範

Sound velocity and density of liquid Ni68S32 under pressure using ultrasonic and X-ray absorption with tomography methods

使用超声波和 X 射线吸收断层扫描方法测量压力下液体 Ni68S32 的声速和密度

• 发表时间: 2018
• 期刊: Comptes Rendus Geoscience
• 影响因子: 1.4
• 作者: Terasaki;H.;K. Nishida;S. Urakawa;Y. Takubo;S. Kuwabara;Y. Shimoyama;K. Uesugi;Y. Kono;A. Takeuchi;Y. Suzuki;Y. Higo;T. Kondo
• 通讯作者: T. Kondo

Sound velocity of liquid Fe-Ni-S-Si at Mercury outer core condition

水星外核条件下液态 Fe-Ni-S-Si 的声速

• 发表时间: 2018
• 作者: I. Yamada;H. Terasaki;A. Kamiya;K. Nishida;Y. Shibazaki;T. Sakamaki;Y. Higo;Y. Tange;T. Kondo
• 通讯作者: T. Kondo

Core composition of Mercury estimated from elastic properties of liquid Fe-Ni-alloy

根据液态铁镍合金的弹性特性估算汞的核心成分

• 发表时间: 2018
• 作者: H. Terasaki;A. Rivoldini;Y. Shimoyama;K. Nishida;S. Urakawa;F. Kurokawa;Y. Takubo;Y. Shibazaki;T. Sakamaki;A. Machida;Y. Higo;T. Kondo
• 通讯作者: T. Kondo