Significance
Żelazo jest głównym składnikiem ziemskich rdzeni planetarnych, przybierając heksagonalną zamkniętą strukturę upakowaną w warunkach ziemskiego jądra wewnętrznego i strukturę face-centered cubic (fcc) przy bardziej umiarkowanych ciśnieniach mniejszych ciał, takich jak Księżyc, Merkury czy Mars. Tutaj prezentujemy pomiary prędkości dźwięku i gęstości żelaza fcc w ciśnieniach i temperaturach charakterystycznych dla wnętrz małych planet. Wyniki wskazują, że prędkości sejsmiczne proponowane obecnie dla wewnętrznego jądra Księżyca są znacznie niższe od tych dla żelaza fcc lub prawdopodobnych stopów żelaza. Nasz zestaw danych dostarcza silnych ograniczeń dla modeli sejsmicznych księżycowego rdzenia i rdzeni małych planet tellurycznych, a także pozwala nam zbudować bezpośredni model składu i prędkości rdzenia Księżyca.
Abstract
Właściwości fizyczne żelaza (Fe) przy wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze są kluczowe dla zrozumienia składu chemicznego, ewolucji i dynamiki wnętrz planetarnych. W istocie, wewnętrzne struktury planet tellurycznych mają podobną warstwową naturę: centralne metaliczne jądro złożone głównie z żelaza, otoczone krzemianowym płaszczem i cienką, chemicznie zróżnicowaną skorupą. Dotychczas większość badań żelaza koncentrowała się na fazie heksagonalnej zamkniętej (hcp, lub ε), ponieważ ε-Fe jest prawdopodobnie stabilne w warunkach ciśnienia i temperatury panujących w jądrze Ziemi. Jednakże, przy bardziej umiarkowanych ciśnieniach charakterystycznych dla rdzeni mniejszych ciał planetarnych, takich jak Księżyc, Merkury czy Mars, żelazo przyjmuje strukturę sześcienną (fcc, czyli γ). Przedstawiamy tutaj pomiary prędkości ściskającej i ścinającej fali dźwiękowej oraz gęstości γ-Fe w wysokich ciśnieniach i temperaturach, które są niezbędne do opracowania dokładnych modeli sejsmicznych wnętrz planetarnych. Nasze wyniki wskazują, że prędkości sejsmiczne zaproponowane dla wewnętrznego jądra Księżyca przez ostatnią reanalizę danych sejsmicznych z Apollo są znacznie niższe od tych dla γ-Fe. Nasz zbiór danych dostarcza silnych ograniczeń dla modeli sejsmicznych księżycowego rdzenia i rdzeni małych planet tellurycznych. Pozwala nam to zaproponować bezpośredni model składu i prędkości dla jądra Księżyca.
- żelazo
- wysokie ciśnienie
- wysoka temperatura
- Księżyc
- telluryczne rdzenie planetarne
Nawet jeśli telluryczne planety i satelity mają metaliczne rdzenie złożone głównie z żelaza, różnice w masach masowych implikują różne warunki ciśnienia (P) i temperatury (T) w centrum tych ciał. To z kolei odbija się na stałej i ciekłej naturze jądra oraz na stabilnej strukturze krystalicznej fazy stałej. Heksagonalna faza zamknięta (hcp, lub ε) jest prawdopodobnie stabilną fazą Fe w warunkach ciśnienia i temperatury panujących w jądrze Ziemi (1). Przy umiarkowanym P-T charakterystycznym dla rdzeni stosunkowo małych planet, takich jak Merkury (P pomiędzy ∼8 GPa a ∼40 GPa, T pomiędzy ∼1,700 K a ∼2,200 K) (2) czy Mars (P pomiędzy ∼24 GPa a ∼42 GPa, T pomiędzy ∼2,000 K a 2,600 K) (3, 4), lub satelitów, w tym Księżyca (P∼5-6 GPa, T pomiędzy 1,300 K a 1,900 K) (5), oczekiwaną stabilną strukturą żelaza jest struktura face-centered cubic (fcc, lub γ) (6). Dla tej fazy nie ma obszernych eksperymentalnych pomiarów prędkości dźwięku sumarycznego w funkcji ciśnienia i temperatury. Badania ograniczają się do pojedynczego wyznaczenia prędkości Debye’a przy ciśnieniu 6 GPa i temperaturze 920 K (7) oraz do eksperymentu nieelastycznego rozpraszania neutronów (INS) przy ciśnieniu otoczenia i temperaturze 1428 K (8), chociaż kompletny i spójny zestaw pomiarów prędkości dźwięku fali ściskającej i ścinającej (odpowiednio, VP i VS) oraz gęstości (ρ) przy wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze są parametrami niezbędnymi do opracowania wiarygodnych modeli sejsmicznych rdzeni planetarnych.
Księżyc jest jedynym oprócz Ziemi ciałem tellurycznym, dla którego dostępne są wielokrotne bezpośrednie obserwacje sejsmiczne. Zostały one dostarczone przez Apollo Lunar Surface Experiments Package (9), który pomimo bardzo ograniczonej liczby sejsmometrów i częściowego zakresu selenograficznego, dostarczył cennych informacji o strukturze wnętrza Księżyca (10, 11). Niemniej jednak, badania sejsmiczne najgłębszego wnętrza Księżyca (>900 km głębokości) nadal stanowią duże wyzwanie. Struktura księżycowego jądra jest kontrowersyjna, a tylko pojedyncze badania sejsmiczne odbitych i przekształconych fal S i P bezpośrednio wskazują na istnienie stałego jądra wewnętrznego i płynnego jądra zewnętrznego (10). Istnienie ciekłego jądra zewnętrznego wydaje się być również faworyzowane, gdy weźmie się pod uwagę polarny moment bezwładności, ogólną odpowiedź sprężystą na potencjał pływowy (liczby Love’a) i ograniczenia sejsmiczne płaszcza (10⇓-12). W analizie danych sejsmicznych zaproponowanej w ref. 10, wewnętrzne jądro było modelowane jako czyste żelazo, podczas gdy zewnętrzne płynne jądro było modelowane jako zawierające mniej niż 13 % mas. siarki stopionej z żelazem (mniej niż 6 % mas. w całym jądrze). Różne pośrednie obserwacje również wskazują na istnienie metalicznego rdzenia (5, 12), choć badania różnią się w wielu aspektach, takich jak promień rdzenia, jego stały lub ciekły charakter czy skład. Dokładne określenie struktury i składu chemicznego jądra Księżyca jest niezbędne do zrozumienia jego obecnej dynamiki, jak również do ograniczenia modeli pochodzenia i ewolucji Księżyca, w tym ewentualnego istnienia wygasłego już dynamo księżycowego (5, 13).
Połączenie obserwacji sejsmicznych z modelami geofizycznymi może być zapewnione przez eksperymenty, które badają propagację fali dźwiękowej w materiałach kandydujących w odpowiednich warunkach termodynamicznych. Tutaj przeprowadziliśmy pomiary gęstości (ρ) i prędkości dźwięku (VP i VS) na ciele-centralnie sześciennym (bcc) i fcc żelaza przy jednoczesnym wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze, używając nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (IXS) w połączeniu z pomiarami dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD).
IXS umożliwia wyraźną identyfikację podłużnych wzbudzeń agregatowych w próbkach polikrystalicznych, bezpośrednie wyprowadzenie VP oraz oszacowanie VS (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (Rys. 1). Technika ta okazała się bardzo odpowiednia do pomiarów na próbkach metalicznych ściskanych w kowadełku diamentowym (14⇓-16), a ostatnio została rozszerzona o pomiary w warunkach jednoczesnego wysokiego P-T (17⇓⇓-20). Ponadto, połączone pomiary XRD dają jednoznaczne określenie fazy i bezpośrednie wyprowadzenie gęstości próbki (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).