2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study of Martian core structure based on density and sound velocity measurements
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20H02008
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
寺崎 英紀 岡山大学, 自然科学学域, 教授 (50374898)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
米田 明 大阪大学, 理学研究科, 招へい研究員 (10262841)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 密度 / 弾性波速度 / 鉄合金 / 火星 / 高圧 / 中心核 / 状態方程式 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いた密度と弾性波速度の複合測定により、Fe-Ni合金融体の密度と弾性特性を決定し、火星コア条件でのコア物質の圧縮曲線、状態方程式の決定を目指している。最近、InSight探査機による火星地震データから火星の内部構造が報告された。この最新の内部構造モデルから火星コア組成を制約するには、コア条件でのFe-S融体の状態方程式決定が不可欠となる。
本研究では、密度測定に試料のX線透過率から密度を導出するX線吸収法を用い、弾性波速度測定にGHz超音波パルス干渉法を用いている。
2021年度の密度測定では、両面レーザー斜入射加熱による高温高圧下の測定を本格的に実施した。Ni試料では、24 GPaまでの1600-1750 Kでの圧縮曲線を得ることができた。同時にX線回折からNiの密度を決定し、吸収法による密度と比較し整合的な結果が得られた（高圧討論会で発表）。次にFe-SとFe3C試料について測定をおこなった。液体での測定を目指すため、鉄合金試料はアルミナ単結晶圧媒体を用いて、10 GPa, 1750 KまでのX線透過率測定を行った。またX線吸収法と外熱式DACを用いた10 GPaまでの液体Gaの密度結果をHigh Pressure Research誌に発表した(Tsuruoka, Terasaki et al. 2021)。
2021年度の弾性波速度測定では、共同研究者の米田博士によりDACを用いGHz超音波法の技術開発およびFe試料の測定を実施した。技術開発としては、低ノイズプレアンプと高速スイッチを用いることで、シグナルのSN比を向上させることができた。Fe試料の弾性波速度測定は、X線吸収測定で試料厚みを求め、6 GPaまでの圧力条件で弾性波速度を決定した。また抵抗ヒーターを用いた外熱法を採用し、高温高圧下での弾性波速度測定を開始した。
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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
密度測定について、2021年度はレーザー加熱を行いNiとFe-S, Fe3CのX線透過率測定を実施した。レーザー加熱はファイバーレーザー両面加熱を行い、X線測定光路とレーザー用ミラーとの干渉を避けるため、レーザーを斜入射した。X線透過率測定では、入射X線強度測定用に薄いマイクロイオンチャンバーを導入し、コリメータとDAC距離を近づけX線発散の影響を抑えた。
5-24 GPa、1600-1900 Kの条件でX線透過率測定をおこなった。安定したレーザー加熱下で、温度上昇によりNiのX線透過率は系統的に増加した。得られた結果より1600-1750 KでのNi試料の圧縮曲線を決定した。さらに液体での測定を目指し、鉄合金試料はアルミナ単結晶の圧媒体で挟み実施した。10 GPa, 1750 Kまでの条件で、試料の共融温度以上でのX線透過率測定ができた。しかしアルミナが厚かったことで、試料が加圧に伴い薄くなりすぎ、試料のX線透過率の加熱に伴う有意な変化については測定できなかった。
またラボにおいては、本科研費で顕微ラマン分光装置を購入し、圧力測定が可能となり、放射光測定前の実験準備が格段に進んだ。また紫外レーザー加工機を用いアルミナ圧媒体を精度良く微細加工することができた。
GHz超音波法を用いた弾性波速度測定では、低ノイズアンプの導入や入出力シグナルのスイッチング高速化により、シグナルSN比など技術的向上があった。ダイヤと鉄の音響インピーダンスが近いためシグナルを得ることが難しかったが、スパッタ処理により6 GPaまでの明瞭な反射波シグナルを得ることができた。ラボで超音波伝播時間を測定した後に、SPring-8の放射光X線を用いた吸収測定を実施し試料厚みを決定し、弾性波速度を求めた。また高温下での測定用に、SiC抵抗ヒーターを用いた外熱法をDACに用いて測定を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
X線吸収法による密度測定およびGHz超音波法による弾性波速度測定の2022年度の推進方策は、それぞれ下記の通りである。
密度測定では、Fe-S, Fe固体・液体試料の測定を行う。2022年度上半期の放射光ビームタイムは確保している。本年度は特に液体試料での測定の確立を目指す。圧媒体には試料の平行性、平面確保のため引き続きアルミナ単結晶を用いる。試料構成として、溶融試料対策として試料室は２つ穴にし、試料とリファレンス物質をそれぞれ分けて入れる構成にする。2021年度の結果を受け、アルミナの厚さを薄く、試料厚みを増やすことで吸収率を確保する対策をする。測定条件は、40 GPa, 2300 Kまでの拡張を目指す。またこれまでに得られたレーザー加熱とX線吸収法を用いたNiの密度、圧縮曲線の結果をまとめ、論文を投稿する。
弾性波速度測定では、抵抗ヒーターを用いた外熱式DACにより、高温高圧下での弾性波速度測定を実施する。GHz用圧電膜やバッファーロッド設置の測定セットアップや用いる周波数帯域など測定条件を、高温条件下の測定に向け最適化する。このセットアップを用いてFeおよびFe-S試料について高温高圧条件での弾性波速度測定を目指す。
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[Presentation] Deuterium content and site occupancy in iron sulphide at high pressure and high temperature: Implications for the oxidation of early Earth’s mantle2021
Author(s)
Sumith Abeykoon, Christopher. M. Howard, Serena Dominijanni, Lisa Eberhard, Daniel J. Frost, Tiziana Boffa Ballaran, Alexander Kurnosov, Hidenori Terasaki, Tatsuya Sakamaki, Akio Suzuki, Eiji Ohtani, Asami Sano-Furukawa, Jun Abe
Organizer
Goldschmidt conference
Int'l Joint Research
