[논문 리뷰] Decaying shock studies of phase transitions in MgOSiO2 systems: implications for the Super-Earths interiors

R. Bolis, G. Morard외 16명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 06.

High-pressure geophysics and materials인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 초지구 내부 조건을 시뮬레이션하기 위해 레이저 구동 감쇠 충격을 사용하여, 최대 1.2 TPa의 극한 압력에서 MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4의 상전이를 조사한다. 그 결과, 융해와 금속성 전이가 일치하지 않음을 확인하여 융해선 근처에서 전도도가 낮은 액체가 존재함을 밝혀내며, 초지구 내부의 다이내모 생성 메커니즘 이해에 중요한 영향을 미친다.

ABSTRACT

We report an experimental study of the phase diagrams of periclase (MgO), enstatite (MgSiO3) and forsterite (Mg2SiO4) at high pressures. We investigated with laser driven decaying shocks the pressure/temperature curves of MgO, MgSiO3 and Mg2SiO4 between 0.2-1.2 TPa, 0.12-0.5 TPa and 0.2-0.85 TPa respectively. A melting signature has been observed in MgO at 0.47 TPa and 9860 K, while no phase changes were observed neither in MgSiO3 nor in Mg2SiO4. An increasing of reflectivity of MgO, MgSiO3 and Mg2SiO4 liquids have been detected at 0.55 TPa -12 760 K, 0.15 TPa - 7540 K, 0.2 TPa - 5800 K, respectively. In contrast to SiO2, melting and metallization of these compounds do not coincide implying the presence of poor electrically conducting liquids close to the melting lines. This has important implications for the generation of dynamos in Super-earths mantles.

연구 동기 및 목표

• 초지구 내부에 관련된 MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4의 고압 상도를 규명하기 위해.
• 극한 조건에서 실리케이트 및 산화물 액체의 융해 거동과 전기적 성질을 조사하기 위해.
• 융해와 금속성 전이가 일치하지 않을 경우 초지구 내부의 다이내모 생성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 레이저 구동 실험에서 감쇠 충격 압축을 통해 초지구 맨틀 조건을 시뮬레이션하기 위해.
• 다중 TPa 압력에서 실리케이트 및 산화물 액체 상의 반사도와 온도 변화를 측정하기 위해.

제안 방법

• MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4 시료에서 일시적인 고압·고온 상태를 생성하기 위해 레이저 구동 감쇠 충격 압축을 사용하였다.
• 시간에 따라 변화하는 반사도 측정을 통해 압축된 액체의 전자적 성질 변화를 추적하였다.
• 상태방정식 모델을 사용하여 충격 속도 및 반사도 데이터로부터 압력과 온도를 추정하였다.
• 반사도 및 온도 프로파일의 불연속성에 의해 상전이를 식별하였다.
• 실험은 0.2에서 1.2 TPa의 압력 범위를 탐색하였으며, 온도는 최대 9860 K에 도달하였다.
• 데이터 분석은 액체 상에서 융해 신호와 금속성 전이 임계점의 식별에 집중되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초지구 맨틀 조건에서 MgO는 어느 압력과 온도에서 융해되는가?
• RQ2 MgSiO3 및 Mg2SiO4는 유사한 극한 조건에서 상전이 또는 융해를 겪는가?
• RQ3 고압에서 MgO, MgSiO3 및 Mg2SiO4 액체에서 융해와 금속성 전이가 분리되어 있는가?
• RQ4 이러한 액체의 전기적 전도도는 융해선 근처에서 어떻게 변화하는가?
• RQ5 전도도가 낮은 액체의 존재는 초지구 맨틀 내 다이내모 생성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MgO는 0.47 TPa 및 9860 K에서 반사도 및 온도 프로파일의 명확한 변화로 인해 융해됨을 확인하였다.
• MgSiO3는 최대 0.5 TPa, Mg2SiO4는 최대 0.2 TPa까지 상전이가 관측되지 않았다.
• MgO에서는 0.55 TPa–12,760 K, MgSiO3에서는 0.15 TPa–7540 K, Mg2SiO4에서는 0.2 TPa–5800 K에서 반사도 증가가 관측되어 금속성 전이를 나타내었다.
• 세 화합물 모두에서 융해와 금속성 전이가 일치하지 않음을 확인하여 융해선 근처에 전기적 전도도가 낮은 액체가 존재함을 시사한다.
• 융해와 금속성 전이가 동시에 발생하지 않음을 고려할 때, 초지구 맨틀 내 전기적 전도도가 제한될 수 있으며, 이는 다이내모 생성 메커니즘에 영향을 미칠 수 있다.
• 이러한 결과는 실리케이트 맨틀에서 금속성 액체 거동을 가정하는 데 있어 도전을 제기하며, 초지구에 대한 다이내모 모델 재평가의 필요성을 강조한다.