高温高圧下での固体鉄合金の弾性波速度・密度測定からの横波を主体とした地球核の探求

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K17784
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 柴崎 裕樹 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10730830)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 地球惑星内部構造 / 高温高圧 / 弾性波速度 / 超音波法 / 金属物性

Outline of Annual Research Achievements

地震波観測により得られる地球核の密度や音速などは、数少ない核の直接的な情報である。これらと隕石などの研究から、地球の核は鉄を主成分とし、少量の軽元素を含むと考えられている。この軽元素の種類や量を解明するため、鉄や鉄合金の高温高圧下での密度や音速が測定され、観測値との比較がなされている。実験値と観測値を比較する際、”音速-密度”の関係がよく用いられる。この関係は、経験則として、温度・圧力に依存せず線形関係にあることが知られているが（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、バーチ則の温度依存性について共通の見解がまだ得られていない。
そこで本研究では、バーチ則の温度依存性について定量的な議論を行うために、まずは固体鉄（bcc-Fe）の音速・密度を高温高圧下で測定した。温度依存性をより明確にするために、超音波法を用いて音速測定を行った。超音波法は、先行研究で測定されている縦波速度（Vp）だけでなく、温度依存性の大きな横波速度（Vs）も直接測定可能なため、バーチ則の温度依存性の明確な観察が期待出来る。実験は放射光施設SPring-8で行い、約7GPa、800Kまでの温度圧力条件で測定した。密度は高温高圧X線その場回折から求めた。
本研究結果によると、bcc-FeはVp、Vs共に温度上昇と共に線形から下側に逸脱することが分かり、温度効果はVpよりVsの方が２倍程度大きいことが分かった。また、先行研究のFeSi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。この差は、bcc-FeとFeSiの熱膨張係数の違いにより生じていることが分かった。
さらに、より高圧での測定を行うためにセル構成の改良も行い、現在、約15GPa（hcp-Fe）での測定まで行えるようになっている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度の研究として計画していたbcc-Feの音速・密度測定が成功し、国際誌への掲載が決まり、さらにセルの改良により、高圧での測定（hcp-Fe）の見通しが出来たため。

Strategy for Future Research Activity

引き続きセルの改良を行いつつ、hcp-Feの高温高圧下での音速・密度測定を約20GPaまでの圧力範囲で行っていき、hcp-Feのバーチ則の温度依存性を明らかにしていく。
また、これに加えて、核中の軽元素候補である水素の影響を明らかにするため、鉄水素化物（FeH）の音速・密度測定も行う。FeHの測定は、試料内部にFeとLiAlH4を入れ、LiAlH4の熱分解によって発生した水素を利用することで高温高圧下でFeHを合成し、測定を行う。これによって、核中の水素量の推定に繋げていく。

Research Products

• [Journal Article] Compressional and shear wave velocities for polycrystalline bcc-Fe up to 6.3 GPa and 800 K (2016)
  • Author(s): Yuki Shibazaki, Keisuke Nishida, Yuji Higo, Mako Igarashi, Masaki Tahara, Tatsuya Sakamaki, Hidenori Terasaki, Yuta Shimoyama, Soma Kuwabara, Yusaku Takubo, Eiji Ohtani
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 101 Pages: 1-11
  • DOI: 10.2138/am-2016-5545
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ultrahigh-pressure polyamorphism in GeO2 glass with coordination number > 6 (2016)
  • Author(s): Yoshio Kono, Curtis Kenney-Benson, Daijo Ikuta, Yuki Shibazaki, Yanbin Wang, Guoyin Shen
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 113 Pages: 3436-3441
  • DOI: 10.1073/pnas.1524304113
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sound velocity and elastic properties of Fe-Ni and Fe-Ni-C liquids at high pressure (2016)
  • Author(s): Soma Kuwabara, Hidenori Terasaki, Keisuke Nishida, Yuta Shimoyama, Yusaku Takubo, Yuji Higo, Yuki Shibazaki, Satoru Urakawa, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Tadashi Kondo
  • Journal Title: Physics and Chemistry of Minerals Volume: 43 Pages: 229-236
  • DOI: 10.1007/s00269-015-0789-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microscopic structural change in a liquid Fe-C alloy of ~5 GPa (2015)
  • Author(s): Yuki Shibazaki, Yoshio Kono, Yingwei Fei
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 42 Pages: 5236-5242
  • DOI: 10.1002/2015GL064271
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray imaging for studying behavior of liquids at high pressures and high temperatures using Paris-Edinburgh press (2015)
  • Author(s): Yoshio Kono, Curtis Kenney-Benson, Yuki Shibazaki, Changyong Park, Yanbin Wang, Guoyin Shen
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 86 Pages: 072207 1-8
  • DOI: 10.1063/1.4927227
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-pressure viscosity of liquid Fe and FeS revisited by falling sphere viscometry using ultrafast X-ray imaging (2015)
  • Author(s): Yoshio Kono, Curtis Kenney-Benson, Yuki Shibazaki, Changyong Park, Guoyin Shen, Yanbin Wang
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 241 Pages: 57-64
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2015.02.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Melting relation in the Fe-S-Si system at 10 GPa: Implications for Mercury's core (2016)
  • Author(s): Hiromu Tobe, Akio Suzuki, Yuki Shibazaki, Tatsuya Sakamaki, Eiji Ohtani
  • Organizer: Goldschmidt 2016
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市 パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hydrogen solubility into Fe-alloys under high pressure (2016)
  • Author(s): Hidenori Terasaki, Yuki Shibazaki, Yuji Higo
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: 千葉県千葉市 幕張メッセ
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The stability of Topaz-OH II in the mantle transition zone (2016)
  • Author(s): Abe Ryota, Akio Suzuki, Yuki Shibazaki, Shin Ozawa, Itaru Ohira, Eiji Ohtani
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: 千葉県千葉市 幕張メッセ
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超音波法による鉄水素化物の弾性波速度測定（を目指して） (2016)
  • Author(s): 柴崎裕樹、西田圭佑、肥後祐司、鈴木昭夫
  • Organizer: 第３回PRIUSシンポジウム
  • Place of Presentation: 愛媛県松山市 愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター
  • Year and Date: 2016-02-23 – 2016-02-24
• [Presentation] 超音波法を用いた高温高圧下での固体鉄の弾性波速度・密度測定 (2015)
  • Author(s): 柴崎裕樹、西田圭佑、肥後祐司、五十嵐愛子、田原政紀、坂巻竜也、寺﨑英紀、下山裕太、田窪勇作、桑原壮馬、大谷栄治
  • Organizer: 第５６回高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島県広島市 JMSアステールプラザ
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] Sound velocity measurements of solid iron under high pressure and high temperature using an ultrasonic method (2015)
  • Author(s): Yuki Shibazaki, Keisuke Nishida, Yuji Higo, Mako Igarashi, Masaki Tahara, Tatsuya Sakamaki, Hidenori Terasaki, Yuta Shimoyama, Soma Kuwabara, Yusaku Takubo, Eiji Ohtani
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2015
  • Place of Presentation: 千葉県千葉市 幕張メッセ
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research