Significado
Iron é o principal constituinte dos núcleos planetários terrestres, assumindo uma estrutura hexagonal fechada sob as condições do núcleo interior da Terra, e uma estrutura cúbica (fcc) centrada na face nas pressões mais moderadas de corpos menores, tais como a Lua, Mercúrio, ou Marte. Aqui apresentamos medições de velocidade e densidade do ferro fcc a pressões e temperaturas características dos pequenos interiores planetários. Os resultados indicam que as velocidades sísmicas atualmente propostas para o núcleo interno da Lua estão bem abaixo das do ferro fcc ou ligas de ferro plausíveis. Nosso conjunto de dados fornece fortes restrições aos modelos sísmicos do núcleo lunar e núcleos de pequenos planetas telúricos, e nos permite construir um modelo direto de composição e velocidade do núcleo lunar.
Abstract
As propriedades físicas do ferro (Fe) a alta pressão e alta temperatura são cruciais para entender a composição química, evolução e dinâmica dos interiores planetários. De fato, as estruturas internas dos planetas telúricos compartilham uma natureza similar em camadas: um núcleo central metálico composto principalmente de ferro, rodeado por um manto de silicato, e uma crosta fina e quimicamente diferenciada. Até à data, a maioria dos estudos do ferro tem-se concentrado na fase hexagonal fechada (hcp, ou ε), uma vez que o ε-Fe é provavelmente estável nas condições de pressão e temperatura do núcleo da Terra. Entretanto, nas pressões mais moderadas características dos núcleos de corpos planetários menores, como a Lua, Mercúrio ou Marte, o ferro assume uma estrutura cúbica centrada na face (fcc, ou γ). Aqui apresentamos medições de velocidade e densidade do som de ondas de compressão e cisalhamento do γ-Fe a altas pressões e altas temperaturas, que são necessárias para desenvolver modelos sísmicos precisos de interiores planetários. Nossos resultados indicam que as velocidades sísmicas propostas para o núcleo interno da Lua por uma recente reanálise dos dados sísmicos da Apollo estão bem abaixo das do γ-Fe. Nosso conjunto de dados fornece assim fortes restrições aos modelos sísmicos do núcleo lunar e núcleos de pequenos planetas telúricos. Isto nos permite propor um modelo direto de composição e velocidade para o núcleo lunar.
- ferro
- alta pressão
- alta temperatura
- Lua
- núcleos planetários telúricos
Pois os planetas e satélites telúricos têm núcleos metálicos compostos principalmente de ferro, as diferenças nas massas a granel implicam condições diferentes de pressão (P) e temperatura (T) no centro desses corpos. Isto, por sua vez, reflete sobre a natureza sólida versus líquida do núcleo e sobre a estrutura cristalina estável da fase sólida. A fase hexagonal fechada (hcp, ou ε) é provavelmente a fase Fe estável através das condições de pressão e temperatura do núcleo da Terra (1). Na característica moderada de P-T dos núcleos de planetas relativamente pequenos, tais como Mercúrio (P entre ∼8 GPa e ∼40 GPa, T entre ∼1,700 K e ∼2,200 K) (2) ou Marte (P entre ∼24 GPa e ∼42 GPa, T entre ∼2,000 K e 2,600 K) (3, 4), ou satélites, incluindo a Lua (P∼5-6 GPa, T entre 1,300 K e 1,900 K) (5), a estrutura estável de ferro esperada é cúbica centrada na face (fcc, ou γ) (6). Para esta fase, não há medições experimentais extensivas das velocidades sonoras agregadas em função da pressão e da temperatura. Os estudos estão limitados a uma única determinação da velocidade de Debye a 6 GPa e 920 K (7) e a uma experiência de dispersão de neutrões inelásticos (INS) à pressão ambiente e 1.428 K (8), embora um conjunto completo e consistente de medições de velocidades sonoras de compressão e de ondas de cisalhamento (respectivamente, VP e VS) e densidade (ρ) a alta pressão e alta temperatura sejam parâmetros essenciais necessários para desenvolver modelos sísmicos fiáveis de núcleos planetários.
A Lua é o único outro corpo telúrico para além da Terra para o qual estão disponíveis múltiplas observações sísmicas directas. Estas foram fornecidas pelo Pacote de Experimentos de Superfície Lunar Apollo (9) que, apesar do número muito limitado de sismômetros e da extensão selenográfica parcial, forneceu informações preciosas sobre a estrutura do interior da Lua (10, 11). No entanto, as investigações sísmicas do interior lunar mais profundo (>900 km de profundidade) continuam a ser muito desafiantes. A estrutura do núcleo lunar é controversa, com apenas um único estudo sísmico das ondas S e P convertidas que detectam directamente a existência de um núcleo interior sólido e de um núcleo exterior fluido (10). A existência de um núcleo externo líquido parece ser favorecida também quando se considera o momento polar de inércia, a resposta elástica geral ao potencial de maré (números de amor), e as restrições sísmicas do manto (10⇓-12). Na análise dos dados sísmicos propostos na ref. 10, o núcleo interno foi modelado como ferro puro, enquanto o núcleo líquido externo foi modelado para conter menos de 13 wt % de enxofre ligado ao ferro (menos de 6 wt % em todo o núcleo). Várias observações indiretas também apontam para a existência de um núcleo metálico (5, 12), embora os estudos difiram em muitos aspectos, tais como o raio do núcleo, a natureza sólida versus líquida, ou a sua composição. Uma determinação precisa da estrutura e composição química do núcleo lunar é essencial para a compreensão da dinâmica actual, bem como para restringir modelos de origem lunar e evolução, incluindo a possível existência de um dínamo lunar agora extinto (5, 13).
A ligação entre observações sísmicas e modelos geofísicos pode ser fornecida por experiências que sondam a propagação de ondas sonoras em materiais candidatos em condições termodinâmicas relevantes. Aqui realizamos medições de densidade (ρ) e velocidade do som (VP e VS) em ferro cúbico centrado no corpo (bcc) e ferro fcc a alta pressão e alta temperatura simultâneas, utilizando medições de dispersão de raios X inelástica (IXS) combinadas com medições de difração de raios X (XRD).
IXS permite uma clara identificação das excitações longitudinais de agregados em amostras policristalinas, a derivação direta da VP, e a estimativa de VS (Texto SI, Dispersão de Raio X Inelástico e Medidas de Difração) (Fig. 1). Esta técnica mostrou-se muito adequada para medições em amostras metálicas comprimidas em células de bigorna de diamante (14⇓-16), e foi recentemente estendida para medições sob condições simultâneas de P-T elevada (17⇓⇓-20). Além disso, as medições combinadas de DRX produzem uma determinação de fase inequívoca e a derivação direta da densidade da amostra (Texto SI, Dispersão de Raio X Inelástico e Medidas de Difração).