鉄メルトの密度・弾性波速度におよぼす軽元素の影響:地球外核の軽元素の解明

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23340159
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 寺崎 英紀 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (50374898)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 浦川 啓 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (30201958)
• Keywords: 鉄合金 / 弾性波速度 / 密度 / 高圧 / 中心核 / 軽元素 / X線トモグラフィー

Research Abstract

本研究では、液体鉄合金から構成される地球外核中の軽元素の解明を目指し、高温高圧下で鉄合金メルトの密度と弾性波速度(音速)を同時測定することを目的とする。音速は核の地震波速度と唯一直接比較できる重要な情報であり、密度は核中の軽元素推定の上で必要な物性となる。本研究ではX線トモグラフィー(CT)測定で得られた試料のX線吸収率と長さから密度を求め、音速は試料の超音波伝搬時間から求める。本年度は高圧下における密度測定と音速測定法の確立を並行して行った。
音速測定システムの導入
まず音速測定用に波形発生器・パルス発生器・高分解能オシロスコープから構成される音速速度測定システムを導入し、測定に対応した超硬アンビル及び高圧プレス部品を設計・製作した。測定は常圧下で金属(Cu,WC)の予備的音速測定を行い、各測定条件の最適化(例えば周波数帯域:17-37MHz)により解析に十分な信号強度が得られることを確認した。
放射光X線を用いた高圧下の密度・音速同時測定
次に放射光X線を用いた高圧常温下での密度・音速同時測定を実施した。SPring-8CTビームライン(BL20B2)にて、CT用80トン小型プレスで高圧発生させ測定を行った。試料は4種の鉄合金(Fe,FeS,Fe_3C,FeSi)を用いた。実験は、荷重50MPa(約2GPa相当)まで1-5MPaおきに音速測定及び密度用CT測定を行い、鉄-軽元素試料では各圧力条件下で明瞭な音速の信号を取得することができた。密度については、全試料で各圧力下での試料吸収プロファイル及び長さが測定できた。本研究で新しく導入したシステムによって、高圧下での密度・音速同時測定が実現可能となり、複数の鉄合金試料に対する測定を行うことができた。これは固体試料以外でも密度と音速を初めて同時に測定可能という非常に意義のある結果であり、外核中の軽元素解明に向けた大きな進歩である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画では今年度は音速測定システムの導入、アンビル・プレスの改良、アナログ金属の密度・音速測定までを行う計画であったが、音速測定システムの導入が比較的スムーズに行えたため実際は上記の項目に加え4種類の鉄合金固体の密度・音速測定を実施することができたため。

Strategy for Future Research Activity

今後は、本課題で導入した測定システムを用い、さらに高温を発生させて鉄合金メルト試料についての密度・音速同時測定を実施する。同時にオンサイトでの密度、音速解析を効率的に実行できるプログラムの開発も行う。これにより鉄合金固体およびメルトの密度・音速の温度・圧力依存性が明らかとなる。さらに超硬アンビルの先端サイズを小さくすることにより、発生圧力を伸ばす試みも行う。また複数種類の組成の鉄合金試料を用いることにより、軽元素の与える鉄の密度・音速への効果を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Stability of Fe-Ni hydride after the reaction between Fe-Ni alloy and hydrous phase (δ-AlOOH) up to 1.2 Mbar : Possibility of H contribution to the core density deficit (2012)
  • Author(s): Terasaki, H., E.Ohtani, T.Sakai, S.Kamada, H.Asanuma, Y.Shibazaki, N.Hirao, N.Sata, Y.Ohishi, A.Suzuki, K.Funakoshi
  • Journal Title: Physics of Earth and Planetary Interiors Volume: 194-195 Pages: 18-24
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2012.01.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Compression of Fe_<88.1>Ni_<9.1>S_<2.8> alloy up to the pressure of Earth's inner core (2012)
  • Author(s): Sakai, T., E.Ohtani, S.Kamada, H.Terasaki, N.Hirao
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 22 Pages: B02210
  • DOI: 10.1029/2011JB008745
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrogenation of FeSi under high pressure (2011)
  • Author(s): Terasaki, H., Y.Shibazaki, T.Sakamaki, R.Tateyama, E.Ohtani, K.Funakoshi, Y.Higo
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 96 Pages: 93-99
  • DOI: 10.2138/am.2011.3628
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liquidus and solidus temperatures of a Fe-O-S alloy up to the pressures of the outer core : Implication for the thermal structure of the Earth's core (2011)
  • Author(s): Terasaki, H., S.Kamada, T.Sakai, E.Ohtani, N.Hirao, N.Sata, Y.Ohishi
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 304 Pages: 559-564
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2011.02.041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高温高圧下におけるFeSiおよびFeS合金の水素化 (2011)
  • Author(s): 寺崎英紀、柴崎裕樹
  • Journal Title: 高圧力の科学と技術 Volume: 21 Pages: 197-205
  • DOI: 10.4131/jshpreview.21.197
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of hydrogen on melting temperature of FeS at high pressure : Implications for core of Ganymede (2011)
  • Author(s): Shibazaki, Y., E.Ohtani, H.Terasaki, R.Tateyama, T.Sakamaki, K.Funakoshi
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 301 Pages: 153-158
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2010.10.033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density measurementof liquid FeS at high pressures using synchrotron X-ray absorption (2011)
  • Author(s): Nishida, K., E.Ohtani, S.Urakawa, A.Suzuki, T.Sakamaki, H.Terasaki, Y.Katayama
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 96 Pages: 864-868
  • DOI: 10.2138/am.2011.3616
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density of carbonated peridotite magma at high pressure using an X-ray absorption method (2011)
  • Author(s): Sakamaki, T., E.Ohtani, S.Urakawa, H.Terasaki, Y.Katayama
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 96 Pages: 553-557
  • DOI: 10.2138/am.2011.3577
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高圧下における鉄-硫黄系の相平衡・融解関係:地球核への適用 (2011)
  • Author(s): 鎌田誠司、寺崎英紀、大谷栄治、境毅
  • Journal Title: 高圧力の科学と技術 Volume: 22 Pages: 77-83
  • DOI: 10.4131/jshpreview.21.77
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase stability and compression study of (Fe_<0.89>, Ni_<0.11>)_3S up to pressure of the Earth's core (2011)
  • Author(s): Sakai, T., E.Ohtani, H.Terasaki, S.Kamada, N.Hirao, Y.Ohishi, N.Sata
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 96 Pages: 1490-1494
  • DOI: 10.2138/am.2011.3822
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density measurements of liquid Fe-Si alloys at high pressure using the sink-float method (2011)
  • Author(s): Tateyama, R., E.Ohtani, H.Terasaki, K.Nishida, Y.Shibazaki, A.Suzuki, T.Kikegawa
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 38 Pages: 801-807
  • DOI: 10.1007/s00269-011-0452-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Static compression of Fe_<0.83>Ni_<0.09>Si_<0.08> alloy to 374 GPa and Fe_<0.93>Si_<0.07> alloy to 252 GPa : Implications for the Earth's inner core (2011)
  • Author(s): Asanuma, H., E.Ohtani, T.Sakai, H.Terasaki, S.Kamada, N.Hirao, Y.Ohishi
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 310 Pages: 113-118
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2011.06.034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X線イメージングを用いた高圧下における鉄合金メルトの密度測定 (2011)
  • Author(s): 西田圭佑、大谷栄治、鈴木昭夫、立山隆二、寺崎英紀、亀卦川卓美
  • Journal Title: KEK Proceedings Volume: 10 Pages: 15-20
• [Presentation] Droplet size of liquid Fe-alloy in terrestrial magma ocean (2012)
  • Author(s): Terasaki H., Urakawa S., Rubie DC., Funakoshi K., Sakamaki T., Shibazaki Y., Ozawa S., Ohtani E.
  • Organizer: Joint symposium of Misasa-2012 and Geofluid-2
  • Place of Presentation: Blanc Art Misasa, Tottori(招待講演)
  • Year and Date: 20120318-20120321
• [Presentation] Sulfur content in the core (2012)
  • Author(s): Sakai T., Ohtani E., Terasaki H., Kamada S., Hirao N.
  • Organizer: Joint symposium of Misasa-2012 and Geofluid-2
  • Place of Presentation: Blanc Art Misasa, Tottori(招待講演)
  • Year and Date: 20120318-20120321
• [Presentation] The effect of light elements on Earth's core properties (2012)
  • Author(s): Sakai T, Takahashi S., Shibazaki Y., Kamada S., Terasaki H., Ohtani E.
  • Organizer: 9th International Workshop on Water Dynamics
  • Place of Presentation: Sendai International center, Miyagi
  • Year and Date: 20120307-20120309
• [Presentation] Boundary pressure of inter-connection of Fe-Ni-S melt in olivine based on in-situ X-ray tomography : Implication to core formation in asteroids (2011)
  • Author(s): Terasaki H., Urakawa S., Uesugi K., Nakatsuka A., Funakoshi K., Ohtani E.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 20111205-20111209
• [Presentation] Phase relation of C-Mg-Si-O system under various oxygen fugacity conditions by in situ X-ray diffraction experiments : Implication for planetary interior (2011)
  • Author(s): Takahashi S., Ohtani E., Terasaki H., Ito Y., Funakoshi K., Higo Y.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 20111205-20111209
• [Presentation] Melting and solid-melt partitioning in iron-light element systems under megabar conditions : Implications for the thermal state of the core (2011)
  • Author(s): Ohtani E., Kamada S., Sakai T., Terasaki H., Hayashi H.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 20111205-20111209
• [Presentation] Melting relationships in the Fe-Fe3S system based on X-ray diffraction up to 180 GPa (2011)
  • Author(s): Kamada S., Ohtani E., Terasaki H., Sakai T., Ohishi Y., Hirao N., Miyahara M.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA(招待講演)
  • Year and Date: 20111205-20111209
• [Presentation] Structure of pure liquid Fe at high pressure based on in-situ X-ray observation (2011)
  • Author(s): Urakawa S., Nakatsuka A., Terasaki H., Nishida K., Katayama Y., Watanabe T., Kikegawa T., Ohtani E.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 20111205-20111209
• [Presentation] Compressional velocities of Fe3S at room temperature and high pressures using inelastic X-ray scattering (2011)
  • Author(s): Kamada S., Fukui H., Ohtani E., Sakai T., Terasaki H., Baron A.Q., Ohishi Y., Hirao N.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 20111205-20111209
• [Presentation] 微惑星および地球型惑星の核/マントル分化過程 (2011)
  • Author(s): 寺崎英紀
  • Organizer: 第4回アストロバイオロジーネットワークワークショップ
  • Place of Presentation: 神戸大学、兵庫(招待講演)
  • Year and Date: 20111126-20111127
• [Presentation] 高温高圧CT測定によるFe-Ni-S融体の浸透特性に対する圧力・組成の効果 (2011)
  • Author(s): 寺崎英紀, 浦川啓, 上杉健太朗, 中塚明日美, 舟越賢一, 大谷栄治
  • Organizer: 第52回高圧討論会
  • Place of Presentation: 沖縄キリスト教学院、沖縄
  • Year and Date: 20111109-20111111
• [Presentation] Fe-Sメルトの弾性波速度の圧力依存性 (2011)
  • Author(s): 西田圭佑, 河野義生, 寺崎英紀, 高橋豪, 石井美帆, 下山裕太, 境家達弘, 肥後祐司, 舟越賢一, 大谷栄治, 入船徹男
  • Organizer: 第52回高圧討論会
  • Place of Presentation: 沖縄キリスト教学院、沖縄
  • Year and Date: 20111109-20111111
• [Presentation] 超音波法を用いた高圧下におけるFe-Sメルトの弾性波速度測定技術の開発 (2011)
  • Author(s): 西田圭佑, 河野義生, 寺崎英紀, 高橋豪, 石井美帆, 下山裕太, 境家達弘, 肥後祐司, 舟越賢一, 大谷栄治, 入船徹男
  • Organizer: 第52回高圧討論会
  • Place of Presentation: 沖縄キリスト教学院、沖縄
  • Year and Date: 20111109-20111111
• [Presentation] 水星核-マントル境界条件におけるUおよびThの金属/珪酸塩間の分配挙動 (2011)
  • Author(s): 石井美帆, 大谷栄治, 寺崎英紀, 西田圭佑, 高橋豪, 下山裕太, 境家達弘, 木村純一, 舟越賢一, 肥後祐司
  • Organizer: 第52回高圧討論会
  • Place of Presentation: 沖縄キリスト教学院、沖縄
  • Year and Date: 20111109-20111111
• [Presentation] Fate of water in the deep Earth interior (2011)
  • Author(s): Terasaki H.
  • Organizer: 日独先端科学シンポジウム
  • Place of Presentation: ホテルニューオータニ、東京
  • Year and Date: 20111028-20111030
• [Presentation] Sound velocities of Fe_3S up to 85 GPa at room temperature using inelastic X-ray scattering (2011)
  • Author(s): Kamada S., Fukui H., Ohtani E., Sakai T., Terasaki H., Shibazaki Y., Takahashi S., Baron Alfred Q.R., Ohishi Y., Hirao N.
  • Organizer: GSA Annual meeting
  • Place of Presentation: Minneapolis, USA(招待講演)
  • Year and Date: 20111009-20111012
• [Presentation] (Fe, Ni)_3S相の安定性と圧縮挙動 (2011)
  • Author(s): 境毅, 大谷栄治, 寺崎英紀, 鎌田誠司, 平尾直久
  • Organizer: 日本地質学会第118年学術大会・日本鉱物科学会2011年年会合同学術大会
  • Place of Presentation: 茨城大学、茨城
  • Year and Date: 20110909-20110911
• [Presentation] 高圧X線マイクロCTを用いた吸収密度測定 (2011)
  • Author(s): 中塚明日美, 浦川啓, 寺崎英紀, 舟越賢一, 上杉健太朗
  • Organizer: 日本地質学会第118年学術大会・日本鉱物科学会2011年年会合同学術大会
  • Place of Presentation: 茨城大学、茨城
  • Year and Date: 20110909-20110911
• [Presentation] X線イメージングを用いた高圧下における鉄合金メルトの密度測定 (2011)
  • Author(s): 西田圭佑、大谷栄治、鈴木昭夫、立山隆二、寺崎英紀、亀卦川卓美
  • Organizer: PF研究会「放射光高圧研究における実験技術の新展開II-マルチアンビル型高圧装置を中心に-」
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110802-20110803
• [Presentation] Melting relation of Fe-O-S ally at the outer core condition (2011)
  • Author(s): Terasaki H., Kamada S., Sakai T., Ohtani E., Hirao N., Ohishi Y.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Pressure effect on excess molar volume of liquid Fe-S (2011)
  • Author(s): Nishida K., Ohtani E., Terasaki H., Tateyama R., Shibazaki Y., Suzuki A., Kikegawa T.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Density measurement of liquid Fe-Si using X-ray absorption method (2011)
  • Author(s): Tateyama R., Nishida K., Terasaki H., Urakawa S., Nakatsuka A., Ohtani E., Katayama Y.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Density measurement of liquid Fe-C at high pressure and Implication for Earth's Outer core (2011)
  • Author(s): Shimoyama Y., Ohtani E., Terasaki H., Nishida K.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Phase relation of C-Mg-Fe-Si-O system under various oxygen fugacity conditions : Implication for planetary interior (2011)
  • Author(s): Takahashi S., Ohtani E., Terasaki H., Ito Y., Funakoshi K., Higo Y.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Density and structure of molten iron under pressure (2011)
  • Author(s): Urakawa S., Nakatsuka A., Terasaki H., Nishida K., Tateyama R., Ohtani E., Katayama Y., Watanabe T., Kikegawa T.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] X線マイクロトモグラフィを用いた吸収法による高圧密度測定技術の開発 (2011)
  • Author(s): Nakatsuka A., Urakawa S., Terasaki H., Funakoshi K., Uesugi K.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Magma studies towards pulse neutron utility (2011)
  • Author(s): Inoue T., Urakawa S., Ohtaka O., Suzuki A., Mibe K., Terasaki H., Yamada A., Arima H.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Partitioning behavior of U and Th between metal and silicate at the Mercury's core mantle boundary (2011)
  • Author(s): Ishii M., Ohtani E., Kimura J., Terasaki H.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Sound velocities of Fe3S at high pressures using inelastic X-ray scattering (2011)
  • Author(s): Kamada S., Fukui H., Ohtani E., Sakai T., Shibazaki Y., Terasaki H., Baron A.Q.R., Ohishi Y., Hirao N.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527
• [Presentation] Carbon in Planetary cores (2011)
  • Author(s): Ohtani E., Takahashi S., Shimoyama Y., Terasaki H., Suzuki A.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2011年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ、千葉
  • Year and Date: 20110522-20110527