[論文レビュー] Decaying shock studies of phase transitions in MgOSiO2 systems: implications for the Super-Earths interiors

R. Bolis, G. Morard+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

High-pressure geophysics and materials被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、1.2 TPaに達する極限圧力下でレーザー駆動の減衰衝撃波を用いて、スーパーアースのマントルに類似した条件を再現し、MgO、MgSiO3、Mg2SiO4における相転移を調査した。その結果、これらの酸化物では融解と金属化が一致しないことが判明し、融点付近で電気的に劣化した液体が存在することが示唆された。これは、スーパーアース内部におけるダイナモ生成の理解に不可欠である。

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.

研究の動機と目的

• スーパーアース内部に相当するMgO、MgSiO3、Mg2SiO4の高圧相図を特定すること。
• 極限条件下におけるケイ酸塩および酸化物液体の融解行動と電気的性質を調査すること。
• 融解と金属化が一致しないことが、惑星ダイナモ生成に与える影響を評価すること。
• レーザー駆動実験における減衰衝撃圧縮を用いて、スーパーアースマントルの状態を再現すること。
• 多太パスカール（multi-TPa）圧力下におけるケイ酸塩および酸化物液体相の反射率と温度変化を測定すること。

提案手法

• MgO、MgSiO3、Mg2SiO4試料において、レーザー駆動の減衰衝撃圧縮を用いて一時的な高圧・高温状態を生成した。
• 時間分解反射率測定により、圧縮された液体の電子的性質の変化を追跡した。
• 状態方程式モデルを用いて、衝撃速度および反射率データから圧力と温度を推定した。
• 反射率および温度プロファイルの不連続性を通じて、相転移を特定した。
• 実験では0.2〜1.2 TPaの圧力をプローブし、最大9860 Kの温度に達した。
• データ解析は、液体相における融解の兆候および金属化閾値の特定に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーアースマントル条件下でMgOはどの圧力および温度で融解するか？
• RQ2 MgSiO3およびMg2SiO4は、同様の極限条件下で相転移または融解を示すか？
• RQ3 高圧下におけるMgO、MgSiO3、Mg2SiO4液体では、融解と金属化が分離しているか？
• RQ4 これらの液体の電気伝導度は、融点付近でどのように変化するか？
• RQ5 電気的に劣化した液体が、スーパーアースマントルにおけるダイナモ生成に与える影響は何か？

主な発見

• MgOは0.47 TPaおよび9860 Kで融解し、反射率および温度プロファイルの顕著な変化によって示された。
• MgSiO3では0.5 TPa、Mg2SiO4では0.2 TPaまでに相転移は観察されなかった。
• MgOでは0.55 TPa–12,760 K、MgSiO3では0.15 TPa–7540 K、Mg2SiO4では0.2 TPa–5800 Kで反射率の上昇が検出され、金属化を示した。
• 3つの化合物すべてにおいて、融解と金属化が一致しないことが判明し、融点付近に電気的に劣化した液体が存在することが示唆された。
• 融解と金属化が同時に発生しないことから、スーパーアースマントルにおける電気伝導度が制限されており、ダイナモ生成メカニズムに影響を及ぼす可能性がある。
• これらの発見は、ケイ酸塩マントルで金属的液体挙動を仮定する考え方に疑問を呈し、スーパーアースのダイナモモデルを再評価する必要性を強調している。