Phase changes of methane hydrate under high-temperature and pressure and inference of interiors of giant icy planets

高温高压下甲烷水合物的相变及巨冰行星内部推断

基本信息

  • 批准号:
    18340126
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 9.43万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
  • 财政年份:
    2006
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    2006 至 2009
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This study intended firstly to clarify phase changes and properties of methane hydrate and solid methane under high-pressures and high-temperatures comparable to those of interiors of icy planets and satellites, and then to infer the states and internal structures of the icy bodies based on the experimental results. High-pressures and high-temperatures were generated by using laser heated diamond anvil cells (LHDAC), and characterization of the samples were made by X-ray diffractometry and Raman spectroscopy. For methane hydrate, the high-pressure phase of filled ice Ih structure survived at least up to 90 GPa. The reasons for the remarkable high-pressure stability were examined. The orentaional ordering of guest methane molecules and symmetrization of hydrogen bond of host molecules might substantiate the outstanding stability of the filled ice Ih structure under extremely high pressure. For solid methane, X-ray diffractometry and Raman spectroscopy revealed the melting conditions to be above approximately 1100 K in a wide pressure range of 10 to 80 GPa. Above 1100 K, polymerizations occurred to produce ethane molecules and further polymerized hydrocarbons. Above 3000 K, diamond was produced. These changes proceeded depending on temperature rather than on pressure. The present study provides some experimental supports to theoretical predictions that the middle ice layer of giant planets such as Neptune and Uranus melts into a hot methane-rich ocean, and will help to improve our understanding of the chemical process of the giant planets' interiors.
本研究的目的是首先阐明甲烷水合物和固体甲烷在类似于冰质行星和卫星内部的高压高温下的相变和性质,然后根据实验结果推断冰质天体的状态和内部结构。采用激光加热金刚石对顶砧(LHDAC)产生高压高温,利用X射线衍射和拉曼光谱对样品进行了表征。对于甲烷水合物,填充冰Ih结构的高压相存活至少高达90 GPa。研究了高压稳定性显著的原因。客体甲烷分子的定向有序化和主体分子氢键的对称化可能证实了填充冰Ih结构在极高压下的突出稳定性。对于固体甲烷,X-射线衍射和拉曼光谱显示的熔化条件是在10至80 GPa的宽压力范围内高于约1100 K。在1100 K以上,发生聚合以产生乙烷分子和进一步聚合的烃。在3000 K以上,产生了金刚石。这些变化取决于温度而不是压力。本研究为海王星和天王星等巨行星的中间冰层融化成富含甲烷的热海洋的理论预测提供了一些实验支持,并将有助于提高我们对巨行星内部化学过程的理解。

项目成果

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专利数量(0)
炭素からハイドレートへそして氷系物質の高圧物性と氷惑星・衛星内部状態の推定 日本鉱物科学会賞受賞講演
从碳到水合物、冰基材料的高压物理性质以及冰行星和卫星内部条件的估计日本矿物学会奖获奖讲座
  • DOI:
  • 发表时间:
    2008
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Hori;T.;H.Sakaguchi;N.Yoshioka;Y.Kaneda;平井寿子
  • 通讯作者:
    平井寿子
CO2ハイドレートの低温高圧物性
CO2水合物的低温高压物理性质
  • DOI:
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    平井寿子;本田瑞穂;川村太郎;山本佳孝;八木健彦
  • 通讯作者:
    八木健彦
Structural changes and intermolecular interactions for hydrogen hydrate under high pressure
高压下水合氢的结构变化和分子间相互作用
  • DOI:
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Machida;S.;Hirai;H.;Kawamura;T.;Yamamoto;Y.;Yagi;T.
  • 通讯作者:
    T.
Polarization of methane molecule and reaction between released hydrogen and olivine in the Earth's mantle
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Shinozaki;A.;Hirai;H.;Hamane;D.;Kagi;H.;Kondo;T.;Yagi;T.
  • 通讯作者:
    T.
水素ハイドレートの同位体効果と分子間相互作用
水合物的同位素效应和分子间相互作用
  • DOI:
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    町田真一;平井寿子;川村太郎;山本佳孝;八木健彦
  • 通讯作者:
    八木健彦
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  • 资助金额:
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