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。

根据地球物理观测和冲击压缩实验的比较，已知地球外核的密度比纯铁小约10%，铁镍合金中含有氢、碳、氧、硫和铁。人们认为溶解了硅等轻元素，但尚不清楚其中含有哪些元素以及含量。据报道，地球外核中的地震波速比冲击压缩实验测定的铁水中的弹性波速高约3%，而满足密度和弹性波速这两个条件的轻元素正在通过寻找对于 ，可以限制外核中所含轻元素的类型和数量。今年，我们重点关注外核中所含轻元素的候选硫磺，并采用我们去年成功开发的多砧高压发生器和超声波法相结合的方法来生产铁-S 熔体。在不同的压力和成分下进行弹性波速度的测量。使用成分接近Fe-S体系共晶点的Fe_ 60 S_ 40 和FeS作为起始样品，分别在高达5.4 GPa和2.5 GPa的纵波速度下进行测量。随着硫含量的增加，Fe-S熔体的纵波速度几乎呈线性下降。由此可见，硫具有使铁液纵波速度减慢至5.4 GPa的作用。另一方面，Fe_<60>S_<40>熔体的纵波速度随着压力的增加而增加，但该增加的速率比纯铁熔体的要大。因此，在高于7 GPa的压力下，Fe_ 60 S_ 40 熔体的纵波速度可能比Fe熔体的纵波速度快。这是因为当月球或木卫三的核心压力低于7 GPa时，硫会减慢铁熔体的纵波速度，但在火星或地球外核等高压下，硫会减慢纵波速度。这意味着它具有提高铁熔体速度的效果。因此，很明显硫是一种可以存在于地球外核中的轻元素。

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

放射光その場観察浮沈法によるFe-S融体の密度測定

同步加速器原位观测沉没法测量Fe-S熔体密度

• 发表时间: 2010
• 作者: 西田圭佑;大谷栄治;鈴禾昭夫;立山隆二;柴崎裕樹;寺崎英紀;亀卦川卓美
• 通讯作者: 亀卦川卓美