[論文レビュー] Large density deficit of Earth's core revealed by a multi-megabar primary pressure scale

Daijo Ikuta, Eiji Ohtani+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンドアンビルセル内のレニウムを用いた非弾性X線散乱を用いて、複数メガバールの圧力まで一次的な圧力スケールを確立した。その結果、従来の圧力スケールは、地球のマントル内部の条件における実験室圧力を最低20%以上過大評価していたことが明らかになった。修正されたスケールは、地球の内核に9%の密度欠損が存在することを示唆し、従来の推定値と比較して軽元素含有量が2倍に増加することを示している。

ABSTRACT

Precise information about the composition of the Earth's core is critical to understand planetary evolution and for discussing current hot topics in geodynamic behavior, such as core-mantle boundary heat flow. However, samples from deep in the Earth's interior are not available, so our knowledge is based on comparison of laboratory measurements with seismological observations, informed by meteorite composition, and indications of the Earth's core temperature. One of the most interesting results of such work has been the suggestion that Earth's inner core must contain light elements because the density of the core, as determined from seismological measurements, is lower than the density of pure iron, its main constituent, as determined from laboratory measurements and/or theoretical work: the density deficit is now considered to be ~4%. However, this conclusion relies critically on having an accurate pressure scale to relate lab generated pressures to geological pressures. Establishing such a scale has been the subject of intensive research but still involves significant extrapolation and approximations, especially at higher pressures. Further, a pressure scale to the multi-megabar pressures is indispensable for discussing super-Earth planets. Here we establish the first primary pressure scale extending to the multi-megabar pressures of Earth's core by measuring acoustic phonon velocities using inelastic scattering from a rhenium sample in a diamond anvil cell. Our new pressure scale agrees with previous primary scales at lower pressures and also shock compression experiments, but is significantly different from previous secondary and theoretical scales at Earth's core pressures: previous scales have overestimated, by at least 20%, laboratory pressures at 230 gigapascals. Our new scale suggests the density deficit of the inner core is ~9%, doubling the light-element content of the core.

研究の動機と目的

• 地球のマントル内部やスーパーアース惑星に相当する複数メガバール圧力にまで及ぶ正確な一次圧力スケールを確立すること。
• 極限状態における実験室圧力のキャリブレーション精度を向上させることで、核の組成に関する不確実性を解消すること。
• 地震学的密度測定値と純鉄の理論的密度との間にある長年の乖離（いわゆる「密度欠損」）を解消すること。

提案手法

• ダイヤモンドアンビルセルで圧縮されたレニウム試料における非弾性X線散乱を用いて、音響フォノン速度を測定する。
• 測定された音速をもとに、第一原理的な状態方程式に基づいて圧力スケールを導出する。
• 新しいスケールをショック圧縮実験および低圧力一次基準と照合して、極限での正確性を検証する。
• 230ギガパスカル（GPa）まで圧力キャリブレーションを拡張し、地球の内核条件に対応する。
• 既存の二次的および理論的圧力スケールと比較することで、過去のキャリブレーションにおける系的な過大評価を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非弾性フォノン散乱を用いた測定により、ダイヤモンドアンビルセル内でレニウムが230 GPaに達する真の圧力は何か？
• RQ2 複数メガバール圧力域において、新しい一次圧力スケールは既存の二次的および理論的圧力スケールとどのように比較されるか？
• RQ3 新しい圧力キャリブレーションを用いることで、地球の内核の密度欠損はどのように再評価されるか？
• RQ4 修正された圧力スケールは、地球の核における軽元素含有量の推定値にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• 新しい一次圧力スケールは、230 GPaにおける従来の二次的および理論的圧力スケールが、実験室圧力を最低20%以上過大評価していたことを示している。
• 修正された圧力スケールにより、内核の密度欠損は従来の約4%から約9%に再評価された。
• 新しいスケールは低圧力一次基準およびショック圧縮実験と整合しており、極限での正確性が裏付けられた。
• 密度欠損の増大は、従来の推定値と比較して、地球の核にははるかに高い軽元素含有量があることを示唆している。
• 本研究は、複数メガバール圧力まで延びる最初の一次圧力キャリブレーションを提供し、特にスーパーアースを含む惑星内部のより正確なモデリングを可能にした。