高温高圧下での鉄合金の密度・弾性波速度測定実験から探る地球惑星中心核

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地震学的に見積もられている地球核の密度が純鉄の密度より小さいことから、核は鉄と様々な軽元素で構成されていると考えられている。この軽元素の種類や量を解明するために、鉄や鉄合金の高温高圧下での密度や弾性波速度の測定がなされている。この測定値と観測値を比較する際、"弾性波速度－密度"の関係が一般的に用いられる。経験則として、この関係は温度・圧力に関係なく線形関係にあることが知られているのだが（バーチ則）、近年の理論的・実験的な研究により、高温では線形関係から逸脱することが指摘されている。しかしながら、測定手法などの問題もあり、温度変化の小さな縦波速度(Vp)を用いた議論が多く、バーチ則の温度依存性について共通の見解を得られていない。そこで本研究では、このバーチ則の温度依存性について定量的に議論を行うため、固体鉄についてVpだけでなく、温度変化の大きな横波速度(Vs)も高温高圧下で測定することを目指した。実験は、温度・圧力制御に優れたマルチアンビル型高温高圧発生装置と、他の手法と異なりVp, Vs両方を直接測定可能な超音波法を用いて、固体鉄(bcc-Fe)の弾性波速度を約7万気圧, 600℃までの温度圧力条件で測定した。これに加え、高温高圧X線その場回折によって密度も測定した。実験は放射光施設SPring-8で行った。本研究結果によると、bcc-Feについては、密度一定で見た時、Vp, Vs共に温度上昇とともに速度が低下し線形から逸脱することが分かった。この温度の効果は、VpよりもVsの方が顕著であった。また、先行研究により報告されているFeSiのバーチ則の温度依存性と比較すると、bcc-Feの方が大きな温度依存性を持つことが分かった。このことは、軽元素によって温度依存性に違いが出ることを示しており、今後、核の軽元素量を議論する際に、一つの指針を示すことが出来た。