Belang
Iron is het hoofdbestanddeel van aardse planetaire kernen, met een hexagonale gesloten gepakte structuur onder de condities van de binnenkern van de Aarde, en een face-centered cubic (fcc) structuur bij de gematigder druk van kleinere lichamen, zoals de Maan, Mercurius of Mars. Hier presenteren wij geluidssnelheids- en dichtheidsmetingen van fcc-ijzer bij drukken en temperaturen die karakteristiek zijn voor kleine planetaire interieurs. De resultaten geven aan dat de seismische snelheden die momenteel worden voorgesteld voor de binnenkern van de Maan veel lager zijn dan die van fcc-ijzer of plausibele ijzerlegeringen. Onze dataset levert sterke beperkingen op voor seismische modellen van de maankern en kernen van kleine tellurische planeten, en stelt ons in staat om een direct samenstellings- en snelheidsmodel van de maankern te bouwen.
Abstract
De fysische eigenschappen van ijzer (Fe) bij hoge druk en hoge temperatuur zijn cruciaal voor het begrijpen van de chemische samenstelling, evolutie en dynamica van planetaire interieurs. De inwendige structuren van de tellurische planeten hebben namelijk allemaal een vergelijkbare gelaagdheid: een centrale metaalkern die voor het grootste deel uit ijzer bestaat, omgeven door een silicaatmantel, en een dunne, chemisch gedifferentieerde korst. Tot nu toe hebben de meeste studies van ijzer zich gericht op de hexagonale gesloten verpakte (hcp, of ε) fase, omdat ε-Fe waarschijnlijk stabiel is onder de druk- en temperatuursomstandigheden van de aardkern. Bij de gematigder druk die kenmerkend is voor de kernen van kleinere planetaire lichamen, zoals de Maan, Mercurius of Mars, neemt ijzer echter een face-centered cubic (fcc, of γ) structuur aan. Hier presenteren wij metingen van de compressie- en afschuifsnelheid en dichtheid van γ-Fe bij hoge drukken en hoge temperaturen, die nodig zijn om nauwkeurige seismische modellen van planetaire interieurs te ontwikkelen. Onze resultaten geven aan dat de seismische snelheden die door een recente heranalyse van Apollo seismische gegevens voor de binnenkern van de Maan zijn voorgesteld, ver onder die van γ-Fe liggen. Onze dataset levert dus sterke beperkingen op voor seismische modellen van de maankern en de kernen van kleine tellurische planeten. Dit stelt ons in staat een direct samenstellings- en snelheidsmodel voor de maankern voor te stellen.
- ijzer
- hoge druk
- hoge temperatuur
- Maan
- tellurische planeetkernen
Ondanks dat de tellurische planeten en satellieten metalen kernen hebben die voornamelijk uit ijzer bestaan, impliceren verschillen in bulkmassa’s verschillende druk (P) en temperatuur (T) condities in het centrum van deze lichamen. Dit heeft op zijn beurt gevolgen voor de vaste versus vloeibare aard van de kern en voor de stabiele kristallijne structuur van de vaste fase. De hexagonale gesloten fase (hcp, of ε) is waarschijnlijk de stabiele Fe-fase onder de druk- en temperatuuromstandigheden van de aardkern (1). Bij de gematigde P-T die kenmerkend is voor de kernen van relatief kleine planeten, zoals Mercurius (P tussen ∼8 GPa en ∼40 GPa, T tussen ∼1.700 K en ∼2.200 K) (2) of Mars (P tussen ∼24 GPa en ∼42 GPa, T tussen ∼2.000 K en 2.600 K) (3, 4), of satellieten, waaronder de Maan (P∼5-6 GPa, T tussen 1.300 K en 1.900 K) (5), is de verwachte ijzerstabiele structuur face-centered cubic (fcc, of γ) (6). Voor deze fase zijn er geen uitgebreide experimentele metingen van de geaggregeerde geluidssnelheden als functie van druk en temperatuur. Studies zijn beperkt tot een enkele bepaling van de Debye-snelheid bij 6 GPa en 920 K (7) en tot een experiment met inelastische neutronenverstrooiing (INS) bij omgevingsdruk en 1428 K (8), hoewel een volledige en consistente reeks metingen van samendrukbare en afschuifgolfgeluidssnelheden (respectievelijk VP en VS) en dichtheid (ρ) bij hoge druk en hoge temperatuur essentiële parameters zijn die nodig zijn om betrouwbare seismische modellen van planetaire kernen te ontwikkelen.
De Maan is het enige andere tellurische lichaam naast de Aarde waarvoor meervoudige directe seismische waarnemingen beschikbaar zijn. Deze werden geleverd door het Apollo Lunar Surface Experiments Package (9) dat, ondanks het zeer beperkte aantal seismometers en de gedeeltelijke selenografische omvang, kostbare informatie verschafte over de structuur van het inwendige van de maan (10, 11). Niettemin blijft seismisch onderzoek van het diepste maaninterieur (>900 km diepte) een grote uitdaging. De structuur van de maankern is controversieel, met slechts één enkele seismische studie van in de kern gereflecteerde en omgezette S- en P-golven die rechtstreeks het bestaan van een vaste binnenkern en een vloeibare buitenkern aantonen (10). Het bestaan van een vloeibare buitenkern lijkt ook te worden bevoordeeld wanneer het polaire traagheidsmoment, de algemene elastische respons op getijdepotentiaal (Love-getallen), en de seismische beperkingen van de mantel in aanmerking worden genomen (10⇓-12). In de analyse van de seismische gegevens zoals voorgesteld in ref. 10, werd de binnenkern gemodelleerd als zuiver ijzer, terwijl de buitenste vloeibare kern werd gemodelleerd als bevattend minder dan 13 wt % aan ijzer gelegeerde zwavel (minder dan 6 wt % in de gehele kern). Verschillende indirecte waarnemingen wijzen ook op het bestaan van een metallische kern (5, 12), hoewel de studies op vele punten verschillen, zoals de straal van de kern, de vaste versus vloeibare aard, of de samenstelling. Een nauwkeurige bepaling van de structuur en chemische samenstelling van de maankern is essentieel voor het begrip van de huidige dynamiek, en ook om modellen van de oorsprong en evolutie van de maan te beperken, inclusief het mogelijke bestaan van een nu uitgestorven maandynamo (5, 13).
Het verband tussen seismische waarnemingen en geofysische modellen kan worden gelegd door experimenten die de voortplanting van geluidsgolven in kandidaat-materialen onder relevante thermodynamische condities onderzoeken. Hier hebben we dichtheid (ρ) en geluidssnelheid (VP en VS) metingen uitgevoerd op body-centered cubic (bcc) en fcc ijzer bij gelijktijdige hoge druk en hoge temperatuur, met behulp van inelastische röntgenverstrooiing (IXS) gecombineerd met röntgendiffractie (XRD) metingen.
IXS maakt een duidelijke identificatie mogelijk van longitudinale aggregaatexcitaties in polykristallijne monsters, de directe afleiding van VP, en de schatting van VS (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (Fig. 1). Deze techniek is zeer geschikt gebleken voor metingen op metaalhoudende monsters die in een diamant aambeeldcel zijn samengeperst (14⇓-16), en is onlangs uitgebreid voor metingen onder gelijktijdige hoge P-T omstandigheden (17⇓⇓-20). Bovendien leveren gecombineerde XRD-metingen een ondubbelzinnige fasebepaling op en de directe afleiding van de monsterdichtheid (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).