地球中心核の熱力学的性質の解明

• Project/Area Number: 23684044
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Petrology/Mineralogy/Science of ore deposit
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 駒林 鉄也 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (20444119)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥27,040,000 (Direct Cost: ¥20,800,000、Indirect Cost: ¥6,240,000); Fiscal Year 2014: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2013: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2012: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2011: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
• Keywords: 高圧実験 / 熱力学 / 中心核 / 相平衡 / 鉄合金 / 鉄-ニッケル合金 / 核 / 内部抵抗加熱 / ダイアモンドアンビルセル / 高温高圧

Research Abstract

本年度は、実験をおこないつつ、地球中心核の熱力学データベースの構築をおこなった。実験は、内部抵抗加熱式DACをSPring-8（兵庫）の放射光X線と組み合わせて、鉄合金、および純鉄について高温高圧その場観察実験を行った。熱力学計算では、地球中心核物質の候補として重要な鉄―酸素系の計算を行い、共融点組成を内核―外核組成まで求めた。既存の実験データおよび本研究で得られた実験データをもとに鉄および酸化鉄の両端成分について熱力学データベースを構築した。問題は中間組成をもつ溶液の混合特性である。低圧ではこの系の溶液は2相分離を示すほど強い非理想性を持つことが知られている。しかし、本研究で理想溶液を仮定して求めた共融点温度は、外核の圧力範囲では、既報のレーザー加熱式DACによる高圧実験の結果と矛盾しないことがわかった。したがって鉄―酸素系における溶液特性は理想的であると仮定することができる。完成した熱力学データベースから共融点組成を内核―外核境界まで求めた結果、100万気圧以上ではおよそ9.5 wt%で一定であった。また、自由エネルギーから液体合金のP波速度を求めた。その結果、外核の温度圧力条件では、液体純鉄に酸素を加えると速度が遅くなることが分かった。地震学的観測による外核の速度は純鉄よりも速いため、本研究結果から酸素が核の主たる軽元素ではないことが示唆される。一方で、外核最上部に観察される低速度層は酸素が原因であると考えられる。本研究結果をもとに今後マントルと外核の相互作用の理解が進むことが期待される。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Simultaneous sound velocity and density measurements of hcp iron up to 93 GPa and 1100 K: an experimental test of the Birch’s law at high temperature (2012)
  • Author(s): Antonangeli, D.
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 331-332 Pages: 210-214
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2012.03.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In-situ X-ray diffraction measurements of the fcc-hcp phase transition boundary of an Fe-Ni alloy in an internally-heated diamond anvil cell (2012)
  • Author(s): Komabayashi, T., Hirose, K., Ohishi, Y.
  • Journal Title: Physics and Chemistry of Minerals Volume: 39 Issue: 4 Pages: 329-338
  • DOI: 10.1007/s00269-012-0490-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous sound velocity and density measurements of hep iron up to 93 GPa and 1100 K : an experimental test of the Birch's law at high temperature (2012)
  • Author(s): Antonangeli, D., Komabayashi, T., Occelli, F., Borissenko, E., Walters, A.C., Fiquet, G., Fei, Y.
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Thermodynamics of melting relations in the system Fe-FeO: implications for the oxygen content in the Earth’s outer core (2012)
  • Author(s): Komabayashi, T.
  • Organizer: American Geophysical Union, 2012 Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
• [Presentation] Phase relations of an Fe-Ni alloy determined in an internally-heated diamond anvil cell (2011)
  • Author(s): Komabayashi, T., Hirose, K., Ohishi, Y.
  • Organizer: American Geophysical Union, 2011 Fall Meeting
  • Place of Presentation: サンフランシスコ
  • Year and Date: 2011-12-09
• [Presentation] Phase relations of an Fe-Ni alloy determined in an internally-heated diamond anvil cell (2011)
  • Author(s): Komabayashi, T., Hirose, K., Ohishi, Y.
  • Organizer: Goldschmidt Conference 2011
  • Place of Presentation: プラハ
  • Year and Date: 2011-08-15