Signifikans
Jern er den vigtigste bestanddel af jordiske planeters kerner og antager en sekskantet, lukket pakkestruktur under de forhold, der gælder for Jordens indre kerne, og en ansigtcentreret kubisk (fcc) struktur ved de mere moderate tryk i mindre legemer som Månen, Merkur og Mars. Her præsenterer vi lydhastigheds- og densitetsmålinger af fcc-jern ved tryk og temperaturer, der er karakteristiske for små planeters indre. Resultaterne viser, at de seismiske hastigheder, der i øjeblikket foreslås for Månens indre kerne, er langt under dem for fcc-jern eller plausible jernlegeringer. Vores datasæt giver stærke begrænsninger for seismiske modeller af månens kerne og kerner af små telluriske planeter, og giver os mulighed for at opbygge en direkte sammensætnings- og hastighedsmodel af Månens kerne.
Abstract
De fysiske egenskaber af jern (Fe) ved højt tryk og høj temperatur er afgørende for forståelsen af den kemiske sammensætning, udvikling og dynamik af planeters indre. Faktisk deler de indre strukturer af de telluriske planeter alle en lignende lagdelt natur: en central metallisk kerne, der hovedsagelig består af jern, omgivet af en silikatmantel og en tynd, kemisk differentieret skorpe. Hidtil har de fleste undersøgelser af jern fokuseret på den hexagonale lukkede pakkefase (hcp eller ε), da ε-Fe sandsynligvis er stabilt under de tryk- og temperaturforhold, der gælder i Jordens kerne. Ved de mere moderate tryk, der er karakteristiske for kerner af mindre planetariske legemer, såsom Månen, Merkur og Mars, antager jern imidlertid en ansigtcentreret kubisk (fcc, eller γ) struktur. Her præsenteres målinger af tryk- og forskydningsbølgernes lydhastighed og densitet af γ-Fe ved høje tryk og høje temperaturer, hvilket er nødvendigt for at udvikle nøjagtige seismiske modeller af planeters indre. Vores resultater viser, at de seismiske hastigheder, der er foreslået for Månens indre kerne i en nyere reanalyse af Apollo-seismiske data, ligger et godt stykke under γ-Fe’s hastigheder. Vores datasæt giver således stærke begrænsninger for seismiske modeller af Månens kerne og kerner af små telluriske planeter. Dette giver os mulighed for at foreslå en direkte sammensætnings- og hastighedsmodel for Månens kerne.
- Jern
- højt tryk
- høj temperatur
- Måne
- telluriske planeters kerner
Selv om de telluriske planeter og satellitter har metalliske kerner, der hovedsageligt består af jern, indebærer forskelle i bulk-masser forskellige tryk- (P) og temperaturforhold (T) i centrum af disse legemer. Dette afspejler igen kernenes faste versus flydende natur og den stabile krystallinske struktur af den faste fase. Den hexagonale lukkede fase (hcp eller ε) er sandsynligvis den stabile Fe-fase under de tryk- og temperaturforhold, der gælder i Jordens kerne (1). Ved de moderate P-T, der er karakteristiske for kerner af relativt små planeter, såsom Merkur (P mellem ∼8 GPa og ∼40 GPa, T mellem ∼1.700 K og ∼2.200 K) (2) eller Mars (P mellem ∼24 GPa og ∼42 GPa, T mellem ∼2.000 K og 2.600 K) (3, 4) eller satellitter, herunder Månen (P∼5-6 GPa, T mellem 1.300 K og 1.900 K) (5), er den forventede stabile struktur af jern den ansigtcentrerede kubiske struktur (fcc, eller γ) (6). For denne fase findes der ikke omfattende eksperimentelle målinger af de samlede lydhastigheder som en funktion af tryk og temperatur. Undersøgelserne er begrænset til en enkelt bestemmelse af Debye-hastigheden ved 6 GPa og 920 K (7) og til et eksperiment med inelastisk neutronspredning (INS) ved omgivende tryk og 1428 K (8), selv om et komplet og konsistent sæt af målinger af kompressions- og forskydningsbølgelydhastigheder (henholdsvis VP og VS) og massefylde (ρ) ved højt tryk og høj temperatur er væsentlige parametre, der er nødvendige for at udvikle pålidelige seismiske modeller af planetariske kerner.
Månen er det eneste telluriske legeme ud over Jorden, for hvilket der foreligger flere direkte seismiske observationer. Disse blev leveret af Apollo Lunar Surface Experiments Package (9), der på trods af det meget begrænsede antal seismometre og den delvise selenografiske udstrækning gav værdifulde oplysninger om strukturen af Månens indre (10, 11). Ikke desto mindre er seismiske undersøgelser af det dybeste indre af Månen (>900 km dybde) fortsat en stor udfordring. Strukturen af Månens kerne er kontroversiel, og der findes kun en enkelt seismisk undersøgelse af kerne-reflekterede og konverterede S- og P-bølger, som direkte påviser eksistensen af en fast indre og en flydende ydre kerne (10). Eksistensen af en flydende ydre kerne synes også at være favoriseret, når man tager det polære inertimoment, det overordnede elastiske respons på tidevandspotentialet (Love-tal) og de seismiske begrænsninger i kappen i betragtning (10⇓-12). I den analyse af de seismiske data, der blev foreslået i ref. 10, blev den indre kerne modelleret som rent jern, mens den ydre flydende kerne blev modelleret til at indeholde mindre end 13 vægtprocent svovl legeret til jern (mindre end 6 vægtprocent i hele kernen). Forskellige indirekte observationer peger også på eksistensen af en metallisk kerne (5, 12), selv om undersøgelserne varierer på mange punkter, f.eks. kernens radius, dens faste vs. flydende karakter eller dens sammensætning. En præcis bestemmelse af strukturen og den kemiske sammensætning af Månens kerne er afgørende for forståelsen af den nuværende dynamik og for at begrænse modellerne for Månens oprindelse og udvikling, herunder den mulige eksistens af en nu uddød månedynamo (5, 13).
Link mellem seismiske observationer og geofysiske modeller kan tilvejebringes ved hjælp af eksperimenter, der undersøger lydbølgeudbredelsen i kandidatmaterialer ved relevante termodynamiske forhold. Her har vi foretaget massefylde (ρ) og lydhastighed (VP og VS) målinger på kropscentreret kubisk (bcc) og fcc jern ved samtidig højt tryk og høj temperatur ved hjælp af uelastisk røntgenspredning (IXS) kombineret med røntgendiffraktionsmålinger (XRD).
IXS giver mulighed for en klar identifikation af langsgående aggregatspænding i polykrystallinske prøver, direkte afledning af VP og vurdering af VS (SI-tekst, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (fig. 1). Denne teknik har vist sig at være meget velegnet til målinger på metalprøver, der er komprimeret i diamantamboscelle (14⇓-16), og er for nylig blevet udvidet til målinger under samtidige høje P-T-betingelser (17⇓⇓⇓-20). Desuden giver kombinerede XRD-målinger en entydig fasebestemmelse og direkte afledning af prøvens massefylde (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).