Investigation of the core light element based on high-pressure sound velocity measurements of liquid Fe alloys

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K04040
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: Nakajima Yoichi 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 准教授 (50700209)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 地球コア / コア軽元素 / 液体鉄合金 / 高圧高温実験 / 非弾性X線散乱 / X線回折

Outline of Final Research Achievements

The sound velocity of liquid Fe alloys at high pressure is essential to understanding the light elements in the Earth’s liquid core. We measured the sound velocity of liquid Fe alloys with P or Si under high-pressure conditions to determine the compositional effect of each alloying element on the velocity and density of liquid Fe. We constrained the concentrations of P and Si in the liquid core by comparing the present results with seismological observations. Considering geochemical observations, we found that the impact of P on the seismological observables of the core can be pretty little. We also investigated that Si significantly increases the sound velocity of liquid Fe. Therefore, the Si contents expected from the recent core formation models can be too much to explain the sound velocity of the present-day liquid core, indicating that the preset-day core will be depleted in Si relative to the ancient core just after the core formation process.

Free Research Field

地球科学、高圧物性物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来の研究では、隕石や岩石の化学組成や、地球形成時の元素分配に基づきコア組成が議論されてきた。本研究課題では、高圧下でコア組成の候補となる液体鉄合金の音速を実際に測定し、現在のコアの音速と密度を比較するで、コア化学組成に制約を与えた。本研究成果により、従来の間接的手法によるコア組成モデルを実際のコアの観測情報と比較できるようになったことは、大きな学術的意義をもつ。
地球コアの化学組成は、地球形成過程やその後の熱的・化学進化を解き明かす上で不可欠な情報である。我々地球の成り立ちから現在に至る歴史を紐解くことは、人類の共通のテーマの一つであり、本研究成果は社会的意義も大きいと期待している。