[논문 리뷰] Large density deficit of Earth's core revealed by a multi-megabar primary pressure scale

Daijo Ikuta, Eiji Ohtani외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 33인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 루테늄을 다이아몬드 압력 세포에서 사용한 비탄성 X선 산란을 통해 다수 메가바르 압력까지의 주요 압력 척도를 수립하여, 이전 압력 척도가 핵 조건에서 실험실 압력을 최소 20% 과대평가하고 있음을 밝혀냈다. 수정된 척도는 지구 내핵에서 9%의 밀도 부족을 암시하며, 이는 이전 추정치에 비해 경량 원소 함량을 두 배로 높인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구 핵과 초지구 행성에 관련된 다수 메가바르 압력까지 연장되는 정확한 주요 압력 척도 수립을 목적으로 한다.
• 극한 조건에서 실험실 압력 校정 정확도 향상으로 핵 조성의 불확실성을 해소하는 것을 목적으로 한다.
• 지반학적 밀도 측정치와 순수 철의 이론적 밀도 사이의 오랫동안 지속된 괴리, 즉 '밀도 부족' 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• 다이아몬드 압력 세포에 압축된 루테늄 시료에서 비탄성 X선 산란을 통해 음향 격자 진동 속도를 측정한다.
• 측정된 음속을 바탕으로 제1원리 상태방정식을 이용해 압력 척도를 유도한다.
• 충격 압축 실험과 저압력 주요 기준과의 비교를 통해 신규 척도의 타당성을 검증한다.
• 230 기가파스칼(GPa)까지의 압력 캘리브레이션을 확장하여 지구 내핵 조건에 해당하는 압력을 다룬다.
• 기존의 보조 및 이론적 압력 척도와의 비교를 통해 이전 캘리브레이션에서의 체계적 과대평가를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비탄성 격자 진동 산란 측정을 통해 다이아몬드 압력 세포에서 230 GPa에 도달한 루테늄의 진짜 압력은 얼마인가요?
• RQ2 다수 메가바르 압력에서 신규 주요 압력 척도는 기존의 보조 및 이론적 압력 척도와 어떻게 비교되나요?
• RQ3 신규 압력 캘리브레이션을 사용할 경우 지구 내핵의 재측정된 밀도 부족은 얼마인가요?
• RQ4 수정된 압력 척도는 지구 핵 내 경량 원소 함량 추정치에 얼마나 큰 영향을 미치나요?

주요 결과

• 신규 주요 압력 척도는 이전의 보조 및 이론적 압력 척도가 230 GPa에서 실험실 압력을 최소 20% 과대평가하고 있음을 보여준다.
• 수정된 압력 척도는 이전에 인정된 약 4%에서 9%로 상향 조정된 내핵 밀도 부족을 암시한다.
• 더 낮은 압력 주요 기준과 충격 압축 실험 결과와의 일치로, 극한 조건에서의 정확도를 검증한다.
• 증가된 밀도 부족은 이전 추정치보다 훨씬 높은 경량 원소 함량을 지구 핵에 암시한다.
• 본 연구는 다수 메가바르 압력까지 연장되는 최초의 주요 압력 캘리브레이션을 제공하여, 초지구를 포함한 행성 내부의 더 정확한 모델링을 가능하게 한다.