Significance
Rauta on maanpäällisten planeettojen ytimien pääkomponentti, joka Maan sisäisen ytimen oloissa saa heksagonaalisen suljetun pakkautuneen rakenteen ja pienempien kappaleiden, kuten Kuun, Elohopean tai Marsin, maltillisemmissa paineissa kuutiokuvioisen rakenteen. Tässä esitellään fcc-raudan äänennopeus- ja tiheysmittauksia pienten planeettojen sisäosille ominaisissa paineissa ja lämpötiloissa. Tulokset osoittavat, että Kuun sisäiselle ytimelle nykyisin ehdotetut seismiset nopeudet ovat huomattavasti fcc-raudan tai uskottavien rautaseosten nopeuksia pienempiä. Aineistomme tarjoaa vahvoja rajoitteita Kuun ytimen ja pienten telluuriplaneettojen ytimien seismisille malleille ja mahdollistaa suoran koostumus- ja nopeusmallin rakentamisen Kuun ytimestä.
Abstract
Raudan (Fe) fysikaaliset ominaisuudet korkeassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa ovat ratkaisevia, kun halutaan ymmärtää planeettojen sisäkkäisten kerrosten kemiallista koostumusta, evoluutiota ja dynamiikkaa. Telluriplaneettojen sisärakenteet ovatkin kaikki samankaltaisia kerrosrakenteeltaan: keskeinen, pääosin raudasta koostuva metallinen ydin, jota ympäröi silikaattivaippa ja ohut, kemiallisesti erilaistunut kuori. Tähän mennessä useimmat raudan tutkimukset ovat keskittyneet kuusikulmaiseen suljettuun pakkautuneeseen faasiin (hcp eli ε), koska ε-Fe on todennäköisesti stabiili Maan ytimen paine- ja lämpötilaolosuhteissa. Pienempien planeettojen, kuten Kuun, Merkuriuksen tai Marsin, ytimille tyypillisissä maltillisemmissa paineissa rauta kuitenkin muuttuu kasvokeskuskuutiolliseksi (fcc eli γ) rakenteeksi. Tässä esitellään γ-Fe:n puristus- ja leikkausaaltoäänen nopeus- ja tiheysmittauksia korkeissa paineissa ja lämpötiloissa, joita tarvitaan planeettojen sisäosien tarkkojen seismisten mallien kehittämiseksi. Tuloksemme osoittavat, että seismiset nopeudet, joita on ehdotettu Kuun sisäiselle ytimelle hiljattain tehdyssä Apollo-seismisen aineiston uudelleenanalyysissä, ovat huomattavasti alhaisemmat kuin γ-Fe:n nopeudet. Aineistomme tarjoaa siten vahvoja rajoitteita Kuun ytimen ja pienten telluuriplaneettojen ytimien seismisille malleille. Näin voimme ehdottaa suoraa koostumus- ja nopeusmallia Kuun ytimelle.
- rauta
- korkea paine
- korkea lämpötila
- Kuu
- telluriplaneettojen ytimet
Niinkin, että telluriplaneettojen ja -satelliittien metalliset ytimet koostuvat pääosin raudasta, erot massamäärissä implikoivat erilaiset paineen- (P) ja lämpötilan- (T) olosuhteet näiden kappaleiden keskuksessa. Tämä puolestaan heijastuu ytimen kiinteään ja nestemäiseen luonteeseen sekä kiinteän faasin stabiiliin kiderakenteeseen. Heksagonaalinen suljettu faasi (hcp eli ε) on todennäköisesti vakaa Fe-faasi Maan ytimen paine- ja lämpötilaolosuhteissa (1). Suhteellisen pienten planeettojen, kuten Merkuriuksen (P välillä ∼8 GPa ja ∼40 GPa, T välillä ∼1 700 K ja ∼2 200 K) (2) tai Marsin (P välillä ∼24 GPa ja ∼42 GPa, T välillä ∼2 000 K ja 2 600 K) (3, 4) tai satelliittien, mukaan lukien Kuu (P∼5-6 GPa, T välillä 1 300 K ja 1 900 K) (5), odotettu raudan stabiili rakenne on kasvokeskinen kuutiorakenne (fcc tai γ) (6). Tästä faasista ei ole olemassa laajoja kokeellisia mittauksia aggregaattiäänen nopeuksista paineen ja lämpötilan funktiona. Tutkimukset rajoittuvat Debyen nopeuden yksittäiseen määritykseen 6 GPa:n paineessa ja 920 K:n lämpötilassa (7) ja inelastisen neutronisironnan (INS) kokeeseen ympäristön paineessa ja 1428 K:n lämpötilassa (8), vaikka täydelliset ja johdonmukaiset mittaukset puristus- ja leikkausaaltojen äänennopeuksista (VP ja VS) ja tiheydestä (ρ) korkeassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa ovat olennaisia parametreja, joita tarvitaan luotettavien planeettojen ytimiin sovellettavien seismisten mallien kehittämiseen.
Kuu on Maan lisäksi ainoa telluurinen kappale, josta on saatavilla useita suoria seismisiä havaintoja. Niitä tarjosi Apollo Lunar Surface Experiments Package (9), joka seismometrien hyvin rajallisesta määrästä ja osittaisesta selenografisesta laajuudesta huolimatta antoi arvokasta tietoa Kuun sisäosan rakenteesta (10, 11). Kuun syvimmän sisätilan (>900 km syvyydessä) seismiset tutkimukset ovat kuitenkin edelleen hyvin haastavia. Kuun ytimen rakenne on kiistanalainen, ja on tehty vain yksi ainoa seisminen tutkimus ytimestä heijastuneista ja muunnetuista S- ja P-aalloista, jotka osoittavat suoraan kiinteän sisä- ja nestemäisen ulkoytimen olemassaolon (10). Nestemäisen ulomman ytimen olemassaoloa näyttäisi myös suosittavan, kun otetaan huomioon polaarinen inertiamomentti, yleinen elastinen vaste vuorovesipotentiaalille (Love-luvut) ja vaipan seismiset rajoitukset (10⇓-12). Seismisen datan analyysissä, jota ehdotettiin ref. 10, sisäydin mallinnettiin puhtaaksi raudaksi, kun taas ulomman nestemäisen ytimen mallinnettiin sisältävän alle 13 painoprosenttia rautaan seostettua rikkiä (alle 6 painoprosenttia koko ytimessä). Useat epäsuorat havainnot viittaavat myös metallisen ytimen olemassaoloon (5, 12), vaikka tutkimukset eroavat toisistaan monilta osin, kuten ytimen säteen, kiinteän vai nestemäisen luonteen tai koostumuksen osalta. Kuun ytimen rakenteen ja kemiallisen koostumuksen tarkka määrittäminen on olennaisen tärkeää, jotta voidaan ymmärtää nykyistä dynamiikkaa sekä rajoittaa Kuun alkuperää ja evoluutiota koskevia malleja, mukaan lukien nyt jo hävinneen kuudynamon mahdollinen olemassaolo (5, 13).
Yhteys seismisten havaintojen ja geofysikaalisten mallien välille voidaan luoda kokeilla, jotka tutkivat ääniaaltojen etenemistä ehdokkaina olevissa materiaaleissa asiaankuuluvissa termodynaamisissa oloissa. Tässä teimme tiheys- (ρ) ja äänennopeusmittauksia (VP ja VS) kappalekeskeisestä kuutiollisesta (bcc) ja fcc-raudasta samanaikaisesti korkeassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa käyttäen kimmotonta röntgensäteiden sirontaa (IXS) yhdistettynä röntgendiffraktiomittauksiin (XRD).
IXS mahdollistaa pitkittäisten aggregaattiherätteiden selkeän tunnistamisen monikiteisissä näytteissä, VP:n suoran johtamisen ja VS:n arvioinnin (SI-teksti, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (kuva 1). Tämä tekniikka on osoittautunut erittäin sopivaksi timanttialustakennoon puristettujen metallinäytteiden mittauksiin (14⇓-16), ja sitä on hiljattain laajennettu mittauksiin samanaikaisesti korkeissa P-T-olosuhteissa (17⇓⇓-20). Lisäksi yhdistetyillä XRD-mittauksilla saadaan aikaan yksiselitteinen faasimääritys ja näytteen tiheyden suora johtaminen (SI-teksti, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).