鉄-軽元素合金融体の高圧物性研究 : 地球核のダイナミクスへの応用

铁轻元素合金的高压物理性质研究：在地核动力学中的应用

• 批准号: 09J04192
• 负责人: 西田 圭佑
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2009
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2009 至 2011
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J04192/
• 关键词: 高圧; 弾性波速度; Fe-FeS; 放射光; 液体; メルト; 超音波法; 密度; Fe-FeS系; 外核; 高温; 浮沈法

地球の外核は、地球物理的観測と衝撃圧縮実験の比較から、純鉄の密度に比べ約10%小さいことが知られており、鉄-ニッケル合金中に水素、炭素、酸素、硫黄、および珪素などの軽元素が溶解していると考えられているが、どの元素がどのくらい含まれているか明らかになってはいない。地球の外核の地震波速度は、衝撃圧縮実験によって求められた溶融鉄の弾性波速度に比べ約3%程度速いことが報告されており、これら密度と弾性波速度に関する二つの条件を満たす軽元素を探すことで、外核中に含まれる軽元素の種類と量を制約することができる。今年度は、外核中に含まれる軽元素の候補である硫黄に着目し、前年度開発に成功したマルチアンビル型高圧発生装置と超音波法を組み合わせた手法を用いて、Fe-Sメルトの弾性波速度の測定を圧力と組成を変えて行った。出発試料にFe-S系の共融点組成に近いFe_<60>S_<40>とFeSを用い、縦波速度をそれぞれ5.4GPaまでと2.5GPaの条件で測定を行った。Fe-Sメルトの縦波速度は、硫黄の含有量が増加するに伴い、ほぼ線形に減少した。したがって、硫黄は5.4GPaまでは鉄メルトの縦波速度を遅くする効果があることが明らかになった。一方、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度は、圧力の増加に伴い速くなるが、この増加率は純鉄メルトよりも大きい。そのため、7GPaよりも高圧では、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度はFeメルトよりも速くなる可能性がある。これは、月やガニメデなど核の圧力が7GPa以下の場合、硫黄は鉄メルトの縦波速度を遅くするが、火星や地球の外核のような高圧力下では、硫黄は鉄メルトの縦波速度を早くする効果があることを意味する。したがって、硫黄は地球の外核中に存在しうる軽元素であることが明らかになった。

地球物理观测和影响压缩实验的比较表明，地球的外核比纯铁的密度小约10％，被认为溶解在铁核合金中，氢，碳，碳，氧气，硫酸盐，硫磺和硅等光元素尚不清楚哪些元素和其中的元素不清楚。据报道，地球外核的地震波速度比通过撞击压缩实验确定的熔融铁的弹性波速度快3％，并且通过寻找符合两个条件的光元素，这些元件符合密度和弹性波速度的两个条件，可以约束外部核心中光元素的类型和光元素。今年，我们专注于硫磺是外芯中包含的候选光元件，并使用一种结合了多个型高压高压发电机的方法，测量了Fe-S熔体的弹性波速度，该方法通过超声方法成功开发。起始样品与Fe_ <60> s_ <40>和FES一起使用，该样品分别在最高5.4GPA和2.5GPA的条件下进行测量。随着硫含量的增加，Fe-S熔体的纵向波速度几乎线性降低。因此，已经揭示了硫具有减慢铁融化至5.4 GPA的纵向波速度的作用。另一方面，Fe_ <60> S_ <40>熔体的纵向波速度随压力增加而增加，但是这种增加的速率大于纯铁熔体的速率。因此，在高于7GPA的压力下，Fe_ <60> s_ <40>熔体的纵向波速度可能比Fe熔体的速度快。这意味着，当核的压力（例如月球或ganymede）低于7GPA时，硫会减慢铁熔体的纵向波速度，但是在高压下，例如火星或地球的外核，硫的作用会增加铁熔体的纵向波速度。因此，已经揭示出硫是一种可能存在于地球外部核心中的光元素。

项目成果

Pressure and temperature dependence of the viscosity of a NaAlSi_2O_6 melt

NaAlSi_2O_6 熔体粘度的压力和温度依赖性

• DOI: 10.1007/s00269-010-0381-4
• 发表时间: 2011
• 期刊: Physics and Chemistry of Minerals
• 影响因子: 1.4
• 作者: A.Suzuki;E.Ohtani;H.Terasaki;K.Nishida;H.Hayashi;T.Sakamaki;Y.Shibazaki;T.Kikegawa
• 通讯作者: T.Kikegawa

Density measurement of liquid FeS at high pressures using synchrotron X-ray absorption

使用同步加速器 X 射线吸收测量高压液态 FeS 的密度

• DOI: 10.2138/am.2011.3616
• 发表时间: 2011
• 期刊: American Mineralogist
• 影响因子: 3.1
• 作者: Nishida;et al
• 通讯作者: et al

超音波法を用いた高圧下におけるFe-Sメルトの弾性波速度測定技術の開発

超声法高压Fe-S熔体弹性波测速技术开发

• 发表时间: 2011
• 作者: T.Ouchi;N.Shimano;T.Homma;若林克法;出路丈時;井上丈司;西田圭佑
• 通讯作者: 西田圭佑

X線吸収画像を用いた10GPaまでのFeS融体の密度測定

使用 X 射线吸收图像测量高达 10 GPa 的 FeS 熔体的密度

• 发表时间: 2009
• 作者: Suzuki;et al.;西田圭佑;西田圭佑;Keisuke Nishida;西田圭佑;Keislike Nishida;西田圭佑;西田圭佑
• 通讯作者: 西田圭佑

Pressure effect on excess molar volume of liquid Fe-S

压力对液态 Fe-S 过量摩尔体积的影响

• 发表时间: 2011
• 作者: Nishida K.;Ohtani E.;Terasaki H.;Tateyama R.;Shibazaki Y.;Suzuki A.;Kikegawa T.
• 通讯作者: Kikegawa T.