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Sound velocity measurements of liquid Fe and Fe-S under Martian core conditions: Validation of the velocity crossover between liquid Fe and Fe-S

Research Project

Project/Area Number 17K14379
Research Category

Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Solid earth and planetary physics
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

西田 圭佑  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (40530887)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2019-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2019: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2018: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2017: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords火星 / 核 / 液体 / 鉄硫黄合金 / 音速 / 高温高圧 / 超音波 / 火星核 / 鉄―硫黄系合金
Outline of Annual Research Achievements

今年度は、昨年度に引き続き、Fe用に開発した高圧セルを用いて、データ間隔が空いている条件や測定精度に問題があった条件においてFeおよびFe80S20メルトの音速測定実験を行った。さらに、新たに試料のX線画像の差分から融解判定を行う手法を確立し、これまでは全溶融とみなしていた極僅かに固相が残った状態の測定データを部分溶融として省けるようにした。その結果、Fe-FeSメルトの音速の組成、圧力依存性を精度よく議論することが可能になった。
Feメルトの音速の圧力依存性は小さいが、Fe57S43メルトの音速の圧力依存性は大きく、Fe57S43メルトの音速は急激に増加するため、20GPa付近で速度差は小さくなる。Fe80S20メルトの音速は、10GPa付近までは、Fe57S43メルトと似た増加傾向を示すが、10GPa付近で勾配が変化し、それより高い圧力ではFeメルトと似た増加傾向を示す。固相での圧縮曲線を比較すると、スピン転移を伴うFeS V相の体積変化は、FeやFe3Sの体積変化に比べ非常に大きい。また、常圧のFe-Ni-Sの音速測定によると、水のように温度の上昇に伴い速度が増加する異常な傾向が報告されている。このような異常な振舞いは、2つの構造が共存することを示唆する。実際、常圧のFe-FeS系は、過冷却領域に2液相分離領域をもつ相分離傾向の液体であり、Se-Te系のように中間組成領域でFe様構造とFeS様構造の共存していることは十分に考えられる。熱力学的には、この不均質な構造が10GPa付近で解消されると考えられており、この2つの効果を組み合わせることで、Fe80S20メルトの音速の圧力変化をうまく説明することができる。
上記を考慮し、火星核条件(約20-40GPa)でのFe-FeSメルトの音速を見積もったところ、火星核条件では硫黄量で音速がほとんど変わらないことが明らかになった。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2019 2018 2017

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Sound velocity and density of liquid Ni68S32 under pressure using ultrasonic and X-ray absorption with tomography methods2019

    • Author(s)
      Terasaki, H., Nishida, K., Urakawa, S., Takubo, Y., Ku51bara, S., Shimoyama, Y., Uesugi, K., Kono, Y., Takeuchi, A., Suzuki, Y., Higo, Y. and Kondo, T.
    • Journal Title

      Comptes Rendus Geoscience

      Volume: 351 Issue: 2-3 Pages: 163-170

    • DOI

      10.1016/j.crte.2018.04.005

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Highly accurate sound velocity measurement in liquid Fe-S system under high pressure2017

    • Author(s)
      Keisuke Nishida, Akio Suzuki, Yuki Shibazaki, Daisuke Wakabayashi, Nobumasa Funamori
    • Journal Title

      Photon Factory Highlights 2016

      Volume: 2016 Highlights(依頼原稿) Pages: 40-41

    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Open Access
  • [Presentation] Mercury’s and Mars’ core composition estimated from elastic properties of liquid iron alloys2018

    • Author(s)
      H. Terasaki, A. Rivoldini, Y. Shimoyama, K. Nishida, S. Urakawa, A. Machida, Y. Higo
    • Organizer
      EGU General Assembly 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of pressure and sulfur content on sound velocity in liquid Fe-S to 20 GPa2018

    • Author(s)
      K. Nishida, Y. Shibazaki, H. Terasaki, Y. Higo, D. Wakabayashi, N. Funamori, A. Suzuki
    • Organizer
      JpGU Meeting 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Sound velocity of liquid Fe-Ni-S-Si at Mercury outer core condition2018

    • Author(s)
      I. Yamada, H. Terasaki, A. Kamiya, K. Nishida, Y. Shibazaki, T. Sakamaki, Y. Higo, Y. Tange, T. Kondo
    • Organizer
      JpGU Meeting 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Core composition of Mercury estimated from elastic properties of liquid Fe-Ni-alloy2018

    • Author(s)
      H. Terasaki, A. Rivoldini, Y. Shimoyama, K. Nishida, S. Urakawa, F. Kurokawa, Y. Takubo, Y. Shibazaki, T. Sakamaki, A. Machida, Y. Higo, T. Kondo
    • Organizer
      JpGU Meeting 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Sound velocity measurements in the liquid Fe-S system up to 20 GPa using ultrasonic pulse-echo method2017

    • Author(s)
      Keisuke Nishida, Yuki Shibazaki, Hiromu Tobe, Hidenori Terasaki, Yuji Higo, Daisuke Wakabayashi, Nobumasa Funamori, Akio Suzuki
    • Organizer
      9th High Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sound velocity and elastic properties of liquid Fe-Ni-Si at high pressure2017

    • Author(s)
      Hidenori Terasaki, Mayumi Maki, Yuta Shimoyama, Keisuke Nishida, Satoru Urakawa, Yusaku Takubo, Yuki Shibazaki, Tatsuya Sakamaki, Yuji Higo, Akihiko Machida, Tadashi. Kondo
    • Organizer
      9th High Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 川井型プレスを用いたX線イメージング吸収法による固体鉄の密度測定2017

    • Author(s)
      寺崎英紀、下山裕太、西田圭佑、坂巻竜也、柴崎裕樹、肥後祐司、丹下慶範
    • Organizer
      第58回高圧討論会
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] 20 GPa までのFe-S 系メルトの音速測定II2017

    • Author(s)
      西田圭佑、柴崎裕樹、戸邉宙、寺崎英紀、肥後祐司、若林大佑、船守展正、鈴木昭夫
    • Organizer
      第58回高圧討論会
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] Fe-Ni-S融体の弾性特性から探る火星内部構造2017

    • Author(s)
      寺崎英紀、下山裕太、真木まゆみ、黒川冬華、浦川啓、西田圭佑、斎藤龍之介、田窪勇作、柴崎裕樹、坂巻竜也、町田晃彦
    • Organizer
      JpGU-AGU joint Meeting 2017
    • Related Report
      2017 Research-status Report
  • [Presentation] Constraint on composition and size of lunar Fe-Ni-S core2017

    • Author(s)
      Hidenori Terasaki, Keisuke Nishida, Satoru Urakawa, Yuta Shimoyama, Yuji Higo
    • Organizer
      JpGU-AGU joint Meeting 2017
    • Related Report
      2017 Research-status Report

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Published: 2017-04-28   Modified: 2019-12-27  

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