Relation between sound velocity and density for liquid iron alloys under Earth's core pressures

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K05541
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 境家 達弘 大阪大学, 理学研究科, 助教 (60452421)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 鉄合金 / 音速 / 地球核 / スーパーアース / バーチ則 / 予備加熱

Outline of Annual Research Achievements

大型レーザーを使った動的圧縮実験において地球核条件下での地球核物質の音速・密度測定を行うことで、地球核、特に外核の組成に制約条件を与えことを目的として、外核や溶融状態の鉄合金における音速と密度の間に線形関係（バーチ則）があることを示し、固体状態の鉄合金における線形関係と比較することで、バーチ則の固体-液体間の関係を評価した。また、他の金属物質に対しても評価を行い、物質科学的な普遍性が存在するか検討を行った。
本年度は、鉄合金だけでなく金属物質（バナジウム）についても音速と密度の関係を評価した。シリコン、ニッケルだけでなく、バナジウムに関しても音速と密度の間に線形関係が存在する可能性を示した。また、鉄合金と同様に、音速の密度に対する変化率が、液体の方が固体より約1.5倍大きい結果となっており、あらゆる金属物質において普遍的な関係である可能性を示唆した。
本研究は、地球核だけでなくスーパーアースのような巨大地球型惑星の核の圧力条件での音速と密度の関係を評価しており、地球だけでなくスーパーアースのような巨大惑星の中心核組成に制約条件を与えることが可能であり大変重要である。溶融状態の鉄合金や金属物質において、音速と密度の間に線形関係（バーチ則）があることを示した。バーチ則を使って外核組成を評価した結果、地球外核中に硫黄あるいはシリコンのみが含有する場合、それぞれ最大で18-40at.%あるいは9-23at.%含まれうることを示した。また、バーチ則の固体-液体間の関係が地球惑星の核物質だけでなく、他の金属物質に対しても普遍的である結果を示したことで、地球惑星科学だけでなく物質科学にも影響を与えうることは大変意義があったと考えられる。