Melting experiment on Fe-H alloy at high pressures

Fe-H合金高压熔化实验

• 批准号: 17J00703
• 负责人: 田川 翔
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J00703/
• 关键词: 地球中心核の軽元素; 鉄-水素系の高温高圧物性; 地球の起源物質; レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル; 超高圧・高温実験; 水素のメタル-シリケイト分配; 相平衡状態図; コアーマントル分離; 水素のメタル-シリケート分配; 超高温・高圧実験; 鉄-水素二成分系

本研究の目的は、「水素」が地球中心核の主要な軽元素かを検証することにある。地球中心核に存在する水素量の制約は、地球の起源物質中に含まれた水の量の決定に不可欠である。本研究で得られる成果は、地球の起源物質や形成過程の理解を深めうる。本研究課題では、A)レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルにより、鉄-水素系の超高圧・高温実験を可能にする技術を確立すること、B)その技術を用い、各圧力・温度・水素量における鉄-水素系の状態図を明らかにすること、C)鉄-水素合金の密度・圧力関係(状態方程式)を高圧まで明らかにすること、を当初の課題とし、それぞれ成果を得た。さらに、D)地球中心核の形成温度・圧力下における水素のメタル-シリケイト間の分配比を明らかにする研究課題にも取り組んだ。本研究結果から、水素は地球核の主要な軽元素の一つであることが支持される。まず、下限値については、課題Dの結果をコア形成モデルと組み合わせることで制約を行った。いずれのモデルでも、[現在の表層+マントル]の水量と平衡する核の水素量は、0.3 wt.%以上(密度欠損のおよそ3割以上を説明)となる。一方、課題A－Cの結果と、近年得られた第一原理計算結果を組み合わせると水素の外核の固溶量は、1 wt.%まで矛盾しないことがわかる。その範囲であれば、外核の密度と縦波速度、重たい内核の結晶化、という軽元素決定のクライテリアについて、矛盾しない。核に含まれる0.3 wt.%の水素は、地球の起源物質中に海洋の35倍もの水(・水素)が含まれていたことに相当する。本研究の結果は、地球や太陽系の形成において、水素や水が重要な役割を果たすことを意味している。また、得られた技術は、単体水素の実験など、固体物性の研究等にも応用可能である。今後、水素と他の軽元素を含む多成分系の実験を重ね、核の組成モデルの精密化を行う。

这项研究的目的是验证氢是否是地球中央核中的主要光元。对地球中央核中存在的氢数量的限制对于确定地球原产质材料中所含的水量至关重要。从这项研究获得的结果可以加深我们对地球起源和地层过程的理解。在本研究主题中，最初的任务是：a）建立一项技术，该技术使用激光加热的钻石砧细胞对铁氢系统进行超高压力和高温实验，b）使用该技术来阐明在每个压力，温度和氢含量的情况下，在每个压力和氢气中阐明均高度和氢的状态（c）的状态（以及c）的密度和高压均高度（c） 获得。此外，我们还解决了一个研究问题，以阐明在地球中央核的形成温度和压力下金属和硅酸盐之间的分布比。这项研究的结果支持氢是地球核的主要光元之一。首先，通过将任务D的结果与核心形成模型相结合来限制下限值。在这两种模型中，与当前表面 +地幔水量平衡的细胞核中的氢量均为0.3 wt。％或更高（解释约30％或更多的密度缺陷）。另一方面，当将任务A-C的结果与近年来获得的第一原理计算结果结合使用时，很明显，氢气外核中固体溶解度的量最高为1 wt。％。在该范围内，关于确定光元素的标准没有矛盾：外部核心密度，纵向波速度和繁重的内核结晶。核中包含的0.3 wt。％氢气对应于地球的起源含有比海洋多35倍的水（氢）。这项研究的结果表明，氢和水在地球和太阳系的形成中起着重要作用。所获得的技术也可以应用于单个氢的实验，例如对固体物理特性的研究。将来，我们将继续对包含氢和其他光元元素的多组分系统进行重复实验，以完善核的组成模型。

项目成果

Stability of fcc phase FeH to 137 GPa

面心立方相 FeH 的稳定性可达 137 GPa

• DOI: 10.2138/am-2020-7153
• 发表时间: 2020
• 期刊: American Mineralogist
• 影响因子: 3.1
• 作者: Kato Chie;Umemoto Koichiro;Ohta Kenji;Tagawa Shoh;Hirose Kei;Ohishi Yasuo
• 通讯作者: Ohishi Yasuo

レーザ加熱式DACを用いた鉄-水素系高温高圧相の合成

使用激光加热 DAC 合成铁氢高温高压相

• 发表时间: 2017
• 作者: 田川翔;太田健二;廣瀬敬;大石泰生
• 通讯作者: 大石泰生

Melting in the Fe-O-H system at 40 GPa

在 40 GPa 下在 Fe-O-H 系统中熔化

• 发表时间: 2019
• 作者: Oka Kenta;Kei Hirose;Shoh Tagawa;Yasuo Ohishi
• 通讯作者: Yasuo Ohishi

Liquid Immiscibility in the Fe-S-H System at Conditions of Earth’s Core Formation

地核形成条件下 Fe-S-H 体系中的液体不混溶性

• 发表时间: 2019
• 作者: Shunpei Yokoo;Kei Hirose;Shoh Tagawa
• 通讯作者: Shoh Tagawa

Hydrogen Limits Carbon in Liquid Iron

• DOI: 10.1029/2019gl082591
• 发表时间: 2019-05-28
• 期刊: GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS
• 影响因子: 5.2
• 作者: Hirose, Kei;Tagawa, Shoh;Genda, Hidenori
• 通讯作者: Genda, Hidenori