地球内核条件での鉄合金の音速測定による内核の化学組成の解明

通过测量地球内核条件下铁合金的声速来阐明地球内核的化学成分

• 批准号: 18J21664
• 负责人: 若松 達也
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18J21664/
• 关键词: 地球中心核; 音速; 高温高圧実験; ダイヤモンドアンビルセル; 化学組成; 地球内核; 音速測定; 鉄合金; 下部マントル

地球最深部を占める中心核の化学組成は地球の起源や進化を理解するうえで重要である。その推定には、高温高圧実験で決定される地球深部候補物質の音速データと地震波観測値の比較が有効である。内核組成を高い信頼度で決定するには、広い圧力・温度・組成条件において地球深部候補物質の音速測定を行う必要がある。本研究では、フェムト秒パルスレーザーpump-probe法を用いて中心核条件で鉄合金の音速測定を行うことで中心核の組成に強い制約を与えることを目指した。令和2年度は、中心核の候補物質とされているFe-H合金に着目した。本研究では面心立方 (fcc) 構造のFeHの音速を従来よりも高い~100 GPaまで測定した。その結果、fcc FeHの縦波速度(VP)の圧力依存性は~60 GPaで不規則に変化することを確認した。また、地球の下部マントルは中心核の直上に位置し、全地球体積の約55%を占める。地球内部で最大の層であるがゆえ、その化学組成を決めることができれば、本研究課題のゴールである中心核の組成にも強い制約を与えることができる。本年度は、下部マントルの第2主要鉱物と考えられているferropericlaseのVP測定を実施した。外部抵抗加熱法とフェムト秒パルスレーザーpump-probe法を組み合わせる技術開発も行い、28 GPaにおいて750 KまでのVP測定に成功し、より下部マントルに近い条件での実験を実現した。前年度までに測定を行っていた主要構成鉱物bridgmaniteのデータを組み合わせて、地震波観測との比較から化学組成を見積もった結果、下部マントルは定説よりもSiに富むバルク組成を持つことを示唆する結果を得た。これまでに得られた実験結果から、Fe-Ni-Si-H合金が地球中心核を形成している可能性が高いことがわかった。

占据地球最深部分的中心核的化学组成对于理解地球的起源和进化很重要。为了估计这一点，比较通过高温和高压实验和地震波观测确定的深地球候选物质的声速数据是有效的。为了确定具有高可靠性的内核组成，有必要在宽压力，温度和组成条件下测量深地球候选物质的声速。在这项研究中，我们旨在通过使用飞秒脉冲激光泵浦探针方法在中心核条件下测量铁合金的声音速度来对中心的组成构成。在2020财政年度，我们专注于Fe-H合金，这被认为是中心核心的候选材料。在这项研究中，测量了面部中心（FCC）结构中FEH的声速高达100 GPA，这比以前高。结果，证实了FCC FEH的纵向波速度（VP）的压力依赖性在〜60 GPA时不规则地变化。此外，地球的下层位于中心核心上方，约占全球量的55％。因为它是地球上最大的一层，如果它可以确定其化学成分，那么它也可以对中心核心的组成构成强大的限制，这是本研究主题的目标。今年，我们进行了针对纤维化酶的VP测量，这被认为是下层中的第二个主要矿物。我们还开发了技术来结合外部电阻加热和飞秒脉冲激光泵探针方法，并在28 GPA下成功测量了高达750 K的VP，在接近下层地幔的条件下实现了实验。使用从前一年进行测量的主要组成矿物Bridgmanite的数据，我们从与地震波观测的比较中估算了化学成分，发现的结果表明，较低的地幔与标准理论相比具有富含SI的大量组成。到目前为止获得的实验结果表明，Fe-Ni-Si-H合金形成以地球为中心的核有很高的可能性。

项目成果

A cylindrical SiC heater for an externally heated diamond anvil cell to 1500 K

用于外部加热金刚石砧座至 1500 K 的圆柱形 SiC 加热器

• DOI: 10.1063/5.0036551
• 发表时间: 2021
• 期刊: Review of Scientific Instruments
• 影响因子: 1.6
• 作者: Okuda Yoshiyuki;Kimura Seiji;Ohta Kenji;Park Yohan;Wakamatsu Tatsuya;Mashino Izumi;Hirose Kei
• 通讯作者: Hirose Kei

ブリッジマナイトの縦波速度測定

桥锰矿的纵波速度测量

• 发表时间: 2018
• 作者: Suehiro Sho;Wakamatsu Tatsuya;Ohta Kenji;Hirose Kei;Ohishi Yasuo;Tatsuya Wakamatsu;Tatsuya Wakamatsu;若松 達也;Tatsuya Wakamatsu;若松 達也
• 通讯作者: 若松 達也

High-temperature electrical resistivity measurements of hcp iron to Mbar pressure in an internally resistive heated diamond anvil cell

• DOI: 10.1080/08957959.2019.1692008
• 发表时间: 2019-10
• 期刊: High Pressure Research
• 影响因子: 2
• 作者: S. Suehiro;Tatsuya Wakamatsu;K. Ohta;K. Hirose;Y. Ohishi

ピコ秒音響法を用いたブリッジマナイトの音速測定

皮秒声学法测量桥石的声速

• 发表时间: 2018
• 作者: Suehiro Sho;Wakamatsu Tatsuya;Ohta Kenji;Hirose Kei;Ohishi Yasuo;Tatsuya Wakamatsu;Tatsuya Wakamatsu;若松 達也;Tatsuya Wakamatsu;若松 達也;若松 達也
• 通讯作者: 若松 達也

Sound velocity measurements on hcp-FeHx (x<1) under high pressures by femtosecond pulse laser pump-probe technique

采用飞秒脉冲激光泵浦探针技术测量高压下 hcp-FeHx (x<1) 的声速

• 发表时间: 2019
• 作者: Tatsuya Wakamatsu;Kenji Ohta;Shoh Tagawa;Takashi Yagi;Kei Hirose;Yasuo Ohishi
• 通讯作者: Yasuo Ohishi