鉄-軽元素合金融体の高圧物性研究 : 地球核のダイナミクスへの応用

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地球の外核は、地球物理的観測と衝撃圧縮実験の比較から、純鉄の密度に比べ約10%小さいことが知られており、鉄-ニッケル合金中に水素、炭素、酸素、硫黄、および珪素などの軽元素が溶解していると考えられているが、どの元素がどのくらい含まれているか明らかになってはいない。地球の外核の地震波速度は、衝撃圧縮実験によって求められた溶融鉄の弾性波速度に比べ約3%程度速いことが報告されており、これら密度と弾性波速度に関する二つの条件を満たす軽元素を探すことで、外核中に含まれる軽元素の種類と量を制約することができる。今年度は、外核中に含まれる軽元素の候補である硫黄に着目し、前年度開発に成功したマルチアンビル型高圧発生装置と超音波法を組み合わせた手法を用いて、Fe-Sメルトの弾性波速度の測定を圧力と組成を変えて行った。出発試料にFe-S系の共融点組成に近いFe_<60>S_<40>とFeSを用い、縦波速度をそれぞれ5.4GPaまでと2.5GPaの条件で測定を行った。Fe-Sメルトの縦波速度は、硫黄の含有量が増加するに伴い、ほぼ線形に減少した。したがって、硫黄は5.4GPaまでは鉄メルトの縦波速度を遅くする効果があることが明らかになった。一方、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度は、圧力の増加に伴い速くなるが、この増加率は純鉄メルトよりも大きい。そのため、7GPaよりも高圧では、Fe_<60>S_<40>メルトの縦波速度はFeメルトよりも速くなる可能性がある。これは、月やガニメデなど核の圧力が7GPa以下の場合、硫黄は鉄メルトの縦波速度を遅くするが、火星や地球の外核のような高圧力下では、硫黄は鉄メルトの縦波速度を早くする効果があることを意味する。したがって、硫黄は地球の外核中に存在しうる軽元素であることが明らかになった。