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心核心的主要轻元素。对地球核心中存在的氢含量的限制对于确定地球原始材料中所含的水量至关重要。这项研究获得的结果将加深我们对地球起源物质和形成过程的理解。在这个研究项目中，我们将 A) 建立一种技术，能够使用激光加热金刚石砧池对铁-氢系统进行超高压和高温实验，B) 使用该技术来阐明铁-氢体系的相图，以及C）阐明了铁-氢合金在高压下的密度-压力关系（状态方程），并在每个方面都取得了成果。此外，我们还开展了研究课题D），以明确地核形成温度和压力下氢在金属和硅酸盐之间的分配比例。这项研究的结果支持氢是地核中的主要轻元素之一。首先，结合任务D的结果和核心形成模型来约束下限值。在任一模型中，与[当前表面层+地幔]中的水量平衡的地核中的氢量超过0.3 wt.%（解释了约30%或更多的密度赤字）。另一方面，通过将作业A至C的结果与近年来获得的第一性原理计算结果相结合，可以看出，外部氢核中的固溶体量在1wt.%以下是一致的。 。在这个范围内，确定轻元素的标准，即外核的密度和纵波速度与重内核的结晶是一致的。地核中所含的0.3%（重量）氢相当于地球原始物质中海洋中水（氢）的35倍。这项研究的结果表明氢和水在地球和太阳系的形成中发挥着重要作用。此外，所获得的技术还可应用于固态物理性质的研究，例如单质氢的实验。未来，我们将对含有氢和其他轻元素的多元体系进行反复实验，以完善核成分模型。

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

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

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

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