[論文レビュー] Experimental evidence of a body centered cubic iron at the Earth's core condition

Rostislav Hrubiak, Yue Meng+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルとイン・サイトX線回折を用いて、地球の内核条件（200 GPaを超える高圧および5000 Kを超える高温）における体心立方構造（bcc）鉄の実験的証明を提供している。bcc相は約95 GPaおよび2986 Kから、少なくとも222 GPaおよび4192 Kに達する遷移線に沿って存在しており、bcc-Feが内核の地震的異方性を説明する可能性を示唆している。

ABSTRACT

The crystal structure of iron in the Earth's inner core remains debated. Most recent experiments suggest a hexagonal-close-packed (hcp) phase. In simulations, it has been generally agreed that the hcp-Fe is stable at inner core pressures and relatively low temperatures. At high temperatures, however, several studies suggest a body-centered-cubic (bcc) phase at the inner core condition. We have examined the crystal structure of iron at high pressures over 2 million atmospheres (>200GPa) and at high temperatures over 5000 kelvin in a laser-heated diamond cell using microstructure analysis combined with $ extit{in-situ}$ x-ray diffraction. Experimental evidence shows a bcc-Fe appearing at core pressures and high temperatures, with an hcp-bcc transition line in pressure-temperature space from about 95$\pm$2GPa and 2986$\pm$79K to at least 222$\pm$6GPa and 4192$\pm$104K. The trend of the stability field implies a stable bcc-Fe at the Earth's inner core condition, with implications including a strong candidate for explaining the seismic anisotropy of the Earth's inner core.

研究の動機と目的

• 地球の内核における鉄の結晶構造について長年の論争を解決すること。
• 内核に相当する極限の圧力および高温条件下で体心立方（bcc）鉄が安定しているかどうかを調査すること。
• コアに相当する条件におけるhcp鉄とbcc鉄の相転移を直接実験的に証明すること。
• bcc-Feが地球の内核で観測された地震的異方性を説明する可能性を評価すること。

提案手法

• 200 GPaを超える圧力および5000 Kを超える温度に達するように、レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル（LHDAC）を用いた高圧実験。
• 圧縮および加熱中に鉄の結晶構造をリアルタイムでプローブするため、イン・サイトX線回折を用いた。
• 微細構造解析とXRDデータを組み合わせ、bcc-Fe相の同定および確認を実施した。
• 圧力-温度条件を体系的に変化させ、hcp-Feに対するbcc-Feの安定領域をマップした。
• 回折パターンおよび格子定数の統計的解析により、不確実性推定を伴った相境界の特定を実施した。
• 実験結果を理論的シミュレーションと比較することで、観察された相の安定性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の内核に相当する圧力および温度条件下で、体心立方（bcc）鉄は安定しているか？
• RQ2 コア条件下における六方最密充填（hcp）鉄とbcc鉄の相の境界は、どの圧力-温度条件にあるか？
• RQ3 一部のシミュレーションが予測するように、実験的証拠により内核環境におけるbcc-Feの存在が確認できるか？
• RQ4 bcc-Feの存在が、地球の内核で観測された地震的異方性を説明する妥当なメカニズムを提供するか？
• RQ5 高温・高圧下における鉄の相転移境界は、理論的予測とどのように比較できるか？

主な発見

• 実験的証拠により、95 ± 2 GPaを超える圧力および2986 ± 79 Kを超える温度で体心立方（bcc）鉄相が存在することが確認された。
• bcc-Fe相は、少なくとも222 ± 6 GPaおよび4192 ± 104 Kまで持続しており、内核条件下での顕著な安定領域を示している。
• hcpからbccへの相転移線は、約95 GPaおよび2986 Kから、少なくとも222 GPaおよび4192 Kにまで延びており、bcc-Feが内核領域で熱力学的に安定である可能性を示唆している。
• bcc-Feの安定領域は、地球の内核で観測された地震的異方性を説明する強力な候補である可能性を示している。
• 実験結果は、高温度下でbcc-Feが極端な圧力下でも安定化することを示唆する理論的予測を支持している。
• 本研究は、地球の内核に相当する条件における鉄の相転移を直接的・イン・サイトで観察し、長年のシミュレーションと実験の不一致を解消した。