客观日本

探求地球中心的奥秘——在100万个大气压、4000度高温下精确测量液态铁密度

2020年05月01日 机械/机器人

东京大学的广濑敬教授等人组成的研究团队,与桑山靖弘特任助教、熊本大学的中岛阳一助教及爱媛大学地球深部动力学研究中心的土屋卓久教授等人合作,利用大型同步辐射设施SPring-8,在与地核环境基本相同的超高压高温(100万个大气压和4000度)的极限条件下,成功确定了地球液态金属核心的主要成分——液态铁的密度。

地球中心为固态金属内核,其外侧是液态金属外核,均处于超高压高温下。以前一直认为液态铁的密度比观测到的外核密度高10%左右。但过去在高压下实施的液态铁测量是通过冲击压缩实验进行的,被认为误差比较大。

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图1:地球核心(地核)为双层结构,分别是由固态金属构成的内核(深6370km~5150km)和由液态金属构成的外核(液态金属核心,深5150km~2890km)。其外侧是由岩石构成的地幔和地壳(参考下图)。外核处于压力超过136万个大气压,温度超过4000度的极限条件下,地球磁场被认为是在这种液态金属的对流作用下产生的。
除了主要成分铁之外,地核中被认为还含有少量的镍和轻元素(候选元素为氢、碳、氧、硅、硫),但尚不清楚详细的化学成分。地球诞生时可能有大量的水,因此氢和氧被认为是首要候选元素。

外核的密度远远小于液态铁表明外核除铁之外还含有大量的轻元素(氢和氧等)。通过确定这些轻元素的种类和含量,可以了解地球的诞生过程,具体来说,可以了解形成地球的材料物质以及地核与地幔分离时的状态。不过,要想实现这一点,需要 准确了解与纯铁之间的密度差。

研究团队此前通过采用激光加热式金刚石单元的静态压缩法实施了超高压高温实验,为调查地球深处的情况做出了巨大贡献。此次进一步推进开发,通过在SPring-8的光束线BL10XU中进行高强度X射线聚光,测量了超高压高温下的液态铁X射线衍射数据。另外,通过开发完全不同于以往的分析方法,成功地精确测量了超高压下的液态铁密度。此外,通过结合光束线BL43LXU的X射线非弹性测量结果,还明确了在液态金属核心所有区域的温度压力条件下的液态铁密度。

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图2:金刚石单元是采用金刚石的小型高压发生装置(图左)。金刚石被用作产生压力的尖头状部件(压砧,图右)。在名为垫片的金属板上制作小孔,将样本和压力介质放入孔中,用两个金刚石压砧夹住即可产生高压。通过金刚石压砧向样本照射激光,可以使样本处于高压高温下。另外,通过金刚石向样本照射X射线,可以测量高压高温下的样本。

此次得到的超高压下的液态铁密度约比地球外核的密度高8%。考虑到内核的密度,光凭以前被认为是首要杂质的氧无法解释这种密度差,因此表明还存在氢等其他轻元素。此次的研究成果向推算被视为地球科学头等问题的地核化学成分迈出了重要的一步。

论文信息
题目:Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions
期刊:《Physical Review Letters》

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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