2019 Fiscal Year Research-status Report
液体鉄合金の高圧下音速測定に基づくコア軽元素の解明
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19K04040
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
中島 陽一 熊本大学, 大学院先導機構, 助教 (50700209)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 地球コア / 液体鉄軽元素合金 / 高圧下音速測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球中心コアは鉄(Fe)を主成分とし、10%程度の軽元素を含んでいることが知られている。コア軽元素の種類とその量比は、地球の材料となった物質、初期地球で生じたマグマオーシャンから金属コアが分離した際の状況を反映しており、地球形成時のフィンガープリントである。さらに、どのような軽元素が存在しているのかは、地球磁場を駆動するコアダイナモを理解するために欠かせない情報である。これまでに様々なコア軽元素候補が提案されてきたが、未だその正体は謎のままである。
地上で観測できる地球中心コアの情報は、地震波観測によってもたらされる音速と密度である。コアはほぼ液体状態であるため、候補となる液体Fe軽元素合金のこられ物性を、コアの圧力条件である136GPa(１GPa≒１万気圧)以上で測定し観測と比較することでのみ、コア軽元素を解明できる。しかし、技術的な困難さから、同様の測定は主に10万気圧以下で行われており、最高でも70万気圧程度の圧力領域でしか達成されていない。本研究では、特に液体Fe軽元素合金の音速を、実際のコアの圧力領域で測定し、コア軽元素を解明することを目的とした。
今年度は、100GPa以上での液体Fe軽元素合金の音速測定をターゲットに、実験技術の最適化を行った。音速測定には、レーザー加熱式ダイアモンドアンビル高圧高温発生装置を用いて、非弾性X線散乱法を用いた。その結果、液体Fe-P合金の音速を最大圧力96GPa、温度3000Kで決定することに成功した。同様の高圧高温実験手法により、X線回折法を用いた液体Feの密度測定を116GPa、4350Kまで行うことに成功し、非弾性X線散乱法によって得られた45GPa、2700Kまでの音速測定結果とともに、液体Feの状態方程式を構築した(Kuwayama, Morard, Nakajima et al. 2020PRB)。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
静的圧縮下での液体Fe合金の音速測定は、これまで70GPaまでの報告があるだけだったが、本研究では液体Fe-P合金の音速を96GPaまで決定することに成功した。また、音速に比べ比較的短時間で行うことができる密度測定では、液体Fe軽元素合金よりも融点が高い純Feについて116GPaまで行うことに成功しており、100GPaを超える圧力でも液体金属を十分に保持することが確認された。今後、さらに実験手法を最適化することにより、音速測定についても密度測定と同様の圧力で行えることが期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、液体Fe軽元素合金の音速を100GPa程度まで測定することが可能となった。2020年度には、さらに136GPaまでの測定が行えるように、さらに実験手法を最適化させる。また、現在Fe-P合金について行っている測定を、他の軽元素合金に拡張させる予定である。
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Research Products
(12 results)
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[Journal Article] Equation of state of liquid iron under extreme conditions2020
Author(s)
Y. Kuwayama, G. Morard, Y. Nakajima, K. Hirose, A.Q.R. Baron, S.I., Kawaguchi, T. Tsuchiya, D. Ishikawa, N. Hirano, Y. Ohishi
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Journal Title
Physcal Review Letters
Volume: 124
Pages: 165701
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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