Bedeutung

Eisen ist der Hauptbestandteil terrestrischer Planetenkerne. Unter den Bedingungen des inneren Erdkerns nimmt es eine hexagonale, geschlossen gepackte Struktur an, während es bei den moderateren Drücken kleinerer Körper wie Mond, Merkur oder Mars eine kubisch-flächenzentrierte (fcc) Struktur aufweist. Wir stellen hier Schallgeschwindigkeits- und Dichtemessungen von fcc-Eisen bei Drücken und Temperaturen vor, die für das Innere kleiner Planeten charakteristisch sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die derzeit für den inneren Kern des Mondes vorgeschlagenen seismischen Geschwindigkeiten weit unter denen von fcc-Eisen oder plausiblen Eisenlegierungen liegen. Unser Datensatz liefert starke Einschränkungen für seismische Modelle des Mondkerns und der Kerne kleiner tellurischer Planeten und ermöglicht es uns, ein direktes Zusammensetzungs- und Geschwindigkeitsmodell des Mondkerns zu erstellen.

Abstract

Die physikalischen Eigenschaften von Eisen (Fe) bei hohem Druck und hoher Temperatur sind entscheidend für das Verständnis der chemischen Zusammensetzung, der Entwicklung und der Dynamik des Planeteninneren. Tatsächlich sind die inneren Strukturen der tellurischen Planeten alle ähnlich geschichtet: ein zentraler metallischer Kern, der hauptsächlich aus Eisen besteht, umgeben von einem silikatischen Mantel und einer dünnen, chemisch differenzierten Kruste. Bislang haben sich die meisten Studien über Eisen auf die hexagonal geschlossene Phase (hcp oder ε) konzentriert, da ε-Fe wahrscheinlich unter den Druck- und Temperaturbedingungen des Erdkerns stabil ist. Bei den moderateren Drücken, die für die Kerne kleinerer planetarer Körper wie Mond, Merkur oder Mars charakteristisch sind, nimmt Eisen jedoch eine kubisch-flächenzentrierte (fcc- oder γ-) Struktur an. Wir stellen hier Messungen der Kompressions- und Scherwellen-Schallgeschwindigkeit und der Dichte von γ-Fe bei hohen Drücken und Temperaturen vor, die für die Entwicklung genauer seismischer Modelle des Planeteninneren erforderlich sind. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die seismischen Geschwindigkeiten, die von einer kürzlich durchgeführten Neuanalyse seismischer Apollo-Daten für den inneren Kern des Mondes vorgeschlagen wurden, weit unter denen von γ-Fe liegen. Unser Datensatz liefert somit starke Einschränkungen für seismische Modelle des Mondkerns und der Kerne von kleinen tellurischen Planeten. Dies ermöglicht es uns, ein direktes Zusammensetzungs- und Geschwindigkeitsmodell für den Mondkern vorzuschlagen.

  • Eisen
  • Hochdruck
  • Hochtemperatur
  • Mond
  • Tellurische Planetenkerne

Auch wenn die tellurischen Planeten und Satelliten metallische Kerne haben, die hauptsächlich aus Eisen bestehen, implizieren Unterschiede in den Massen unterschiedliche Druck- (P) und Temperaturbedingungen (T) im Zentrum dieser Körper. Dies wirkt sich wiederum auf die feste bzw. flüssige Beschaffenheit des Kerns und auf die stabile kristalline Struktur der festen Phase aus. Die hexagonal geschlossene (hcp oder ε) Phase ist wahrscheinlich die stabile Fe-Phase unter den Druck- und Temperaturbedingungen des Erdkerns (1). Bei den moderaten P-T-Bedingungen, die für die Kerne von relativ kleinen Planeten wie Merkur (P zwischen ∼8 GPa und ∼40 GPa, T zwischen ∼1.700 K und ∼2.200 K) (2) oder Mars (P zwischen ∼24 GPa und ∼42 GPa, T zwischen ∼2.000 K und 2.600 K) (3, 4), oder Satelliten, einschließlich des Mondes (P∼5-6 GPa, T zwischen 1.300 K und 1.900 K) (5), ist die erwartete stabile Eisenstruktur kubisch-flächenzentriert (fcc oder γ) (6). Für diese Phase gibt es keine umfangreichen experimentellen Messungen der Gesamtschallgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von Druck und Temperatur. Studien beschränken sich auf eine einzige Bestimmung der Debye-Geschwindigkeit bei 6 GPa und 920 K (7) und auf ein Experiment zur inelastischen Neutronenstreuung (INS) bei Umgebungsdruck und 1428 K (8), obwohl ein vollständiger und konsistenter Satz von Messungen der Kompressions- und Scherwellen-Schallgeschwindigkeiten (VP bzw. VS) und der Dichte (ρ) bei hohem Druck und hoher Temperatur wesentliche Parameter sind, die für die Entwicklung zuverlässiger seismischer Modelle planetarer Kerne benötigt werden.

Der Mond ist neben der Erde der einzige andere tellurische Körper, für den mehrere direkte seismische Beobachtungen vorliegen. Diese stammen aus dem Apollo Lunar Surface Experiments Package (9), das trotz der sehr begrenzten Anzahl von Seismometern und der teilseismischen Ausdehnung wertvolle Informationen über die Struktur des Mondinneren lieferte (10, 11). Dennoch bleibt die seismische Untersuchung des tiefsten Mondinneren (>900 km Tiefe) eine große Herausforderung. Die Struktur des Mondkerns ist umstritten, denn es gibt nur eine einzige seismische Untersuchung von im Kern reflektierten und umgewandelten S- und P-Wellen, die direkt die Existenz eines festen inneren und eines flüssigen äußeren Kerns nachweisen (10). Das Vorhandensein eines flüssigen äußeren Kerns scheint auch unter Berücksichtigung des polaren Trägheitsmoments, der allgemeinen elastischen Reaktion auf das Gezeitenpotenzial (Love-Zahlen) und der seismischen Beschränkungen des Mantels favorisiert zu werden (10⇓-12). Bei der Analyse der seismischen Daten, die in Ref. 10 vorgeschlagenen seismischen Daten wurde der innere Kern als reines Eisen modelliert, während der äußere flüssige Kern weniger als 13 Gew.-% mit Eisen legierten Schwefel enthält (weniger als 6 Gew.-% im gesamten Kern). Verschiedene indirekte Beobachtungen deuten ebenfalls auf die Existenz eines metallischen Kerns hin (5, 12), obwohl sich die Studien in vielen Aspekten unterscheiden, z. B. in Bezug auf den Radius des Kerns, die feste bzw. flüssige Beschaffenheit oder seine Zusammensetzung. Eine genaue Bestimmung der Struktur und der chemischen Zusammensetzung des Mondkerns ist wichtig für das Verständnis der heutigen Dynamik sowie für die Einschränkung von Modellen über den Ursprung und die Entwicklung des Mondes, einschließlich der möglichen Existenz eines inzwischen ausgestorbenen lunaren Dynamos (5, 13).

Die Verbindung zwischen seismischen Beobachtungen und geophysikalischen Modellen kann durch Experimente hergestellt werden, die die Ausbreitung von Schallwellen in den in Frage kommenden Materialien unter relevanten thermodynamischen Bedingungen untersuchen. Hier haben wir Dichte- (ρ) und Schallgeschwindigkeitsmessungen (VP und VS) an kubisch-raumzentriertem (bcc) und fcc-Eisen bei gleichzeitig hohem Druck und hoher Temperatur durchgeführt, indem wir inelastische Röntgenstreuung (IXS) mit Röntgenbeugungsmessungen (XRD) kombiniert haben.

IXS ermöglicht eine eindeutige Identifizierung von longitudinalen Aggregatanregungen in polykristallinen Proben, die direkte Ableitung von VP und die Abschätzung von VS (SI-Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (Abb. 1). Diese Technik hat sich als sehr geeignet für Messungen an metallischen Proben erwiesen, die in einer Diamant-Ambosszelle komprimiert wurden (14⇓-16), und wurde kürzlich für Messungen unter gleichzeitigen hohen P-T-Bedingungen erweitert (17⇓⇓-20). Darüber hinaus ermöglichen kombinierte XRD-Messungen eine eindeutige Phasenbestimmung und die direkte Ableitung der Probendichte (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).

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