Semnificație
Fierul este principalul constituent al miezurilor planetare terestre, luând o structură hexagonală închisă în condițiile nucleului intern al Pământului și o structură cubică cu fețe centrate (fcc) la presiunile mai moderate ale corpurilor mai mici, cum ar fi Luna, Mercur sau Marte. Aici prezentăm măsurători ale vitezei sunetului și densității fierului fcc la presiuni și temperaturi caracteristice interioarelor planetare mici. Rezultatele indică faptul că vitezele seismice propuse în prezent pentru nucleul interior al Lunii sunt cu mult sub cele ale fierului fcc sau ale aliajelor de fier plauzibile. Setul nostru de date oferă constrângeri puternice pentru modelele seismice ale miezului lunar și ale miezurilor micilor planete telurice și ne permite să construim un model direct de compoziție și viteză a miezului Lunii.
Abstract
Proprietățile fizice ale fierului (Fe) la presiuni și temperaturi ridicate sunt cruciale pentru înțelegerea compoziției chimice, evoluției și dinamicii interioarelor planetare. Într-adevăr, structurile interioare ale planetelor telurice au toate o natură stratificată similară: un nucleu metalic central compus în cea mai mare parte din fier, înconjurat de o mantaua de silicați și o crustă subțire, diferențiată chimic. Până în prezent, majoritatea studiilor asupra fierului s-au concentrat asupra fazei hexagonale compacte închise (hcp, sau ε), deoarece ε-Fe este probabil stabil în condițiile de presiune și temperatură din nucleul Pământului. Cu toate acestea, la presiunile mai moderate caracteristice miezurilor corpurilor planetare mai mici, cum ar fi Luna, Mercur sau Marte, fierul capătă o structură cubică cu fețe centrate (fcc, sau γ). Prezentăm aici măsurători ale vitezei sunetului prin unde de compresiune și de forfecare și ale densității γ-Fe la presiuni și temperaturi ridicate, care sunt necesare pentru a dezvolta modele seismice precise ale interioarelor planetare. Rezultatele noastre indică faptul că vitezele seismice propuse pentru nucleul interior al Lunii de către o reanaliză recentă a datelor seismice Apollo sunt cu mult sub cele ale γ-Fe. Setul nostru de date oferă astfel constrângeri puternice pentru modelele seismice ale nucleului lunar și ale nucleelor planetelor telurice mici. Acest lucru ne permite să propunem un model direct de compoziție și viteză pentru nucleul Lunii.
- Fier
- Presiune ridicată
- Temperatură ridicată
- Lună
- Nucleu planetar teluric
Chiar dacă planetele și sateliții telurici au nuclee metalice compuse în principal din fier, diferențele de masă aparentă implică condiții diferite de presiune (P) și temperatură (T) în centrul acestor corpuri. Acest lucru, la rândul său, se reflectă asupra naturii solide versus lichide a nucleului și asupra structurii cristaline stabile a fazei solide. Faza hexagonală închisă (hcp, sau ε) este probabil faza Fe stabilă în condițiile de presiune și temperatură din nucleul Pământului (1). La P-T moderată caracteristică miezurilor unor planete relativ mici, cum ar fi Mercur (P între ∼8 GPa și ∼40 GPa, T între ∼1.700 K și ∼2.200 K) (2) sau Marte (P între ∼24 GPa și ∼42 GPa, T între ∼2.000 K și 2.600 K) (3, 4), sau sateliți, inclusiv Luna (P∼5-6 GPa, T între 1.300 K și 1.900 K) (5), structura stabilă așteptată a fierului este cubică cu fețe centrate (fcc, sau γ) (6). Pentru această fază, nu există măsurători experimentale extinse ale vitezelor sunetului agregat în funcție de presiune și temperatură. Studiile se limitează la o singură determinare a vitezei Debye la 6 GPa și 920 K (7) și la un experiment de împrăștiere neelastică a neutronilor (INS) la presiune ambiantă și 1 428 K (8), deși un set complet și coerent de măsurători ale vitezelor sunetului de compresiune și de forfecare a undelor de forfecare (respectiv, VP și VS) și ale densității (ρ) la presiune și temperatură ridicate sunt parametri esențiali necesari pentru a dezvolta modele seismice fiabile ale nucleelor planetare.
Luna este singurul corp teluric, în afară de Pământ, pentru care sunt disponibile multiple observații seismice directe. Acestea au fost furnizate de pachetul Apollo Lunar Surface Experiments (9) care, în ciuda numărului foarte limitat de seismometre și a întinderii selenografice parțiale, a furnizat informații prețioase despre structura interiorului Lunii (10, 11). Cu toate acestea, investigațiile seismice ale celui mai adânc interior lunar (>900 km adâncime) rămân foarte dificile. Structura nucleului lunar este controversată, existând doar un singur studiu seismic al undelor S și P reflectate și convertite de nucleu care detectează direct existența unui nucleu interior solid și a unui nucleu exterior fluid (10). Existența unui nucleu exterior lichid pare să fie favorizată, de asemenea, atunci când se ia în considerare momentul polar de inerție, răspunsul elastic global la potențialul mareic (numerele Love) și constrângerile seismice ale mantalei (10⇓-12). În analiza datelor seismice propuse în ref. 10, nucleul intern a fost modelat ca fiind fier pur, în timp ce nucleul lichid extern a fost modelat pentru a conține mai puțin de 13 % în greutate de sulf aliat cu fier (mai puțin de 6 % în greutate în întregul nucleu). Diverse observații indirecte indică, de asemenea, existența unui nucleu metalic (5, 12), deși studiile diferă în multe aspecte, cum ar fi raza nucleului, natura solidă vs. lichidă sau compoziția acestuia. O determinare precisă a structurii și compoziției chimice a miezului Lunii este esențială pentru înțelegerea dinamicii actuale, precum și pentru a constrânge modelele de origine și evoluție lunară, inclusiv posibila existență a unui dinamo lunar, acum dispărut (5, 13).
Legătura dintre observațiile seismice și modelele geofizice poate fi asigurată de experimente care sondează propagarea undelor sonore în materiale candidate în condiții termodinamice relevante. Aici am efectuat măsurători ale densității (ρ) și vitezei sunetului (VP și VS) pe fierul cubic centrat pe corp (bcc) și fcc la presiune și temperatură ridicată simultane, folosind împrăștierea inelastică a razelor X (IXS) combinată cu măsurători de difracție a razelor X (XRD).
IXS permite o identificare clară a excitațiilor agregatelor longitudinale în probele policristaline, derivarea directă a VP și estimarea VS (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (Fig. 1). Această tehnică s-a dovedit a fi foarte potrivită pentru măsurători pe eșantioane metalice comprimate în celula cu nicovală de diamant (14⇓-16), iar recent a fost extinsă pentru măsurători în condiții simultane de P-T ridicat (17⇓⇓-20). În plus, măsurătorile XRD combinate permit o determinare neechivocă a fazei și derivarea directă a densității probei (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).