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Physical property and structure of liquid Fe at high pressure for investigating the Earth's core composition

Research Project

Project/Area Number 23K22605
Project/Area Number (Other) 22H01334 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

中島 陽一  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 准教授 (50700209)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坂巻 竜也  東北大学, 理学研究科, 助教 (30630769)
PUSZTAI LASZLO  熊本大学, 国際先端科学技術研究機構, 卓越教授 (40810859)
松田 和博  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (50362447)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Keywords地球コア / 液体金属 / 構造物性 / 高圧高温 / コア軽元素 / 液体鉄合金 / 構造 / 縦波速度 / 地球コア組成 / 弾性特性 / 高圧 / 音速
Outline of Research at the Start

地球コアの軽元素を解明するために、本研究では高圧高温実験を用いて、液体鉄合金の物性(縦波速度・密度)と構造を決定する。候補となる軽元素が液体鉄の物性にどのように影響を及ぼすのか、その基となる構造との相関を見出し、それぞれの軽元素候補が存在する際の因果関係を明らかにし物理的に解釈する。得られる液体鉄合金の物性と構造に対する軽元素の種類と量比の影響をモデル化し、地球液体コアの地震波観測情報と照らし合わせることで、地球コアの軽元素を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

液体FeおよびFe-S合金の高圧高温下X線回折測定を行った。パリスエジンバラプレスを用い6GPaまでの圧力において液体Fe合金のX線回折データを取得し、2体分関数を決定することにより、構造とその圧力依存性、及び液体Feの構造に対する硫黄の影響について系統的に調べた。その結果、液体Feに硫黄を加えることにより、その局所構造秩序性が著しく変化することが明らかになった。さらに、この構造秩序性が圧縮率や音速、及び電気伝導率といった液体のバルク物性と強い相関を持つことが判明した。特に、液体Feと著しく異なる液体Fe-Sのバルク物性の圧力依存性が、圧力増加に伴う液体Fe-Sの急激な構造変化に起因する事が明らかになった。
Fe-H合金及び液体Fe-S合金の高圧高温下非弾性X線散乱測定を行った。非弾性X線散乱データよりこれら合金中の縦波音響フォノン分散を取得し、縦波速度の圧力依存性を決定した。特筆する結果として、fcc-FeHの縦波速度を80 GPaまで求めその圧力依存性を評価したところ、300Kにおいて50‐60GPaの圧力領域で、音速の異常増大を観察した。先行研究で報告されている理論計算結果と比較した結果、この音速の増大が非磁性への磁気転移に起因することが明らかになった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

比較的低圧ではあるが、高圧高温下での液体Fe合金中の良質なX線回折データを取得し、圧力に対する構造変化を系統的に調べた結果、液体Fe合金中の構造が軽元素により大きく変化し、化学結合だけでなく、その局所構造やその秩序性が弾性特性や輸送特性と強く相関するという知見を得た。このことは、地球液体コアだけでなく、他の地球型惑星コアの化学組成及び物性を理解する上で、大変重要なポイントとなる。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、これまで得られている固体fcc-FeHxの結果とその際に培った技術に基づき、液体Fe-Hの非弾性X線散乱測定を同様の圧力範囲で実施する。また、パリスエジンバラプレスを用いた液体Fe合金の構造測定について、他の軽元素を含むFe合金の構造とその圧力依存性について調べるとともに、ダイヤモンドアンビルセルを用いた液体Fe合金の構造測定をこれまでに実施した50GPaよりも高い圧力で行い、構造と音速及び密度の相関及びその圧力依存性を明らかにする。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Universite Grenoble Alpes(フランス)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Wigner Research Centre for Physics(ハンガリー)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Universite Grenoble Alpes(フランス)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Wigner Research Centre for Physics(ハンガリー)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Recent Progress in High‐Pressure Experiments on the Composition of the Core2023

    • Author(s)
      Sinmyo Ryosuke、Nakajima Yoichi、Kuwayama Yasuhiro
    • Journal Title

      Core‐Mantle Co‐Evolution: An Interdisciplinary Approach, Geophysical Monograph Series

      Volume: Ch 11 Pages: 191-218

    • DOI

      10.1002/9781119526919.ch11

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A cotunnite-type new high-pressure phase of Fe2S2022

    • Author(s)
      Oka Kenta、Tateno Shigehiko、Kuwayama Yasuhiro、Hirose Kei、Nakajima Yoichi、Umemoto Koihiro、Tsujino Noriyoshi、Kawaguchi Saori I.
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 107 Issue: 7 Pages: 1249-1253

    • DOI

      10.2138/am-2022-7959

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Inelastic X-ray scattering measurements of liquid Fe alloys under high-pressure conditions2023

    • Author(s)
      Y. Nakajima, K. Hirose, D. Ishikawa, A.Q.R. Baron
    • Organizer
      The 9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高圧高温下におけるNi2Siの安定性と弾性特性2023

    • Author(s)
      中島陽一, 二宮亨, 上野雄生, 河口沙織
    • Organizer
      第64回高圧討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Ni2Pの高圧下における構造相転移2023

    • Author(s)
      齋藤史昌, 中島陽一, 上野雄生, 河口沙織
    • Organizer
      第64回高圧討論会 2023年11月, 柏
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 内部抵抗加熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いた固体鉄の高温高圧X線非弾性散乱測定2023

    • Author(s)
      長屋慶大, 長谷川将弘, PARK Yohan, 奥田善之, 中島陽一, 廣瀬敬, 石川大介, Alfred Q.R. BARON
    • Organizer
      第64回高圧討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Inelastic X-ray scattering measurements of liquid Fe-S at high pressure2022

    • Author(s)
      1.Y. Nakajima, A. Iwamoto, Y. Ueno, Y. Kuwayama, K. Hirose, G. Morard, D. Ishikawa, A.Q.R. Baron
    • Organizer
      18th International Conference on Liquid and Amorphous Metals
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sound velocity of liquid Fe-S at high pressure2022

    • Author(s)
      2.Y. Nakajima, A. Iwamoto, Y. Ueno, Y. Kuwayama, K. Hirose, G. Morard, D. Ishikawa, A.Q.R. Baron
    • Organizer
      Japan Geoscience Union Meeting 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Toward sound velocity measurement of liquid Fe-H under high-pressure conditions2022

    • Author(s)
      Y. Ueno, Y. Nakajima, K. Hirose, Y. Misaki, D. Ishikawa, A.Q.R. Baron
    • Organizer
      Japan Geoscience Union Meeting 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Inelastic X-ray scattering measurements of liquid Fe alloys at extreme conditions2022

    • Author(s)
      4.中島陽一, 岩本朝希, 上野雄生, 桑山靖弘, 廣瀬敬, MORARD Guillaume, 石川大介, BARON Alfred Q.R
    • Organizer
      第63回高圧討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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