Betydelse
Järn är huvudbeståndsdelen i jordiska planetkärnor och antar en hexagonal, sluten packad struktur under förhållandena i jordens inre kärna och en ytcentrerad kubisk (fcc) struktur vid de mer måttliga trycken i mindre kroppar, som månen, Merkurius eller Mars. Här presenterar vi ljudhastighets- och densitetsmätningar av fcc-järn vid tryck och temperaturer som är karakteristiska för små planeters inre. Resultaten visar att de seismiska hastigheter som för närvarande föreslås för månens inre kärna ligger långt under de för fcc-järn eller plausibla järnlegeringar. Vårt dataset ger starka begränsningar för seismiska modeller av månens kärna och kärnor av små telluriska planeter, och gör det möjligt för oss att bygga en direkt sammansättnings- och hastighetsmodell av månens kärna.
Abstract
Järnets (Fe) fysikaliska egenskaper vid högt tryck och hög temperatur är avgörande för förståelsen av den kemiska sammansättningen, evolutionen och dynamiken i planeters inre. De inre strukturerna hos de telluriska planeterna har faktiskt alla en liknande skiktad natur: en central metallisk kärna som mestadels består av järn, omgiven av en silikatmantel och en tunn, kemiskt differentierad skorpa. Hittills har de flesta studier av järn fokuserat på den hexagonala slutna packade fasen (hcp, eller ε), eftersom ε-Fe troligen är stabil under de tryck- och temperaturförhållanden som råder i jordens kärna. Vid de mer måttliga tryck som kännetecknar kärnorna i mindre planetariska kroppar, såsom månen, Merkurius eller Mars, antar järn dock en ytcentrerad kubisk (fcc, eller γ) struktur. Här presenterar vi mätningar av kompressions- och skjuvvågsljudhastighet och densitet av γ-Fe vid höga tryck och höga temperaturer, vilket behövs för att utveckla exakta seismiska modeller av planeters inre. Våra resultat visar att de seismiska hastigheter som föreslagits för månens inre kärna i en nyligen genomförd omanalys av seismiska data från Apollo ligger långt under de för γ-Fe. Vårt dataset ger således starka begränsningar för seismiska modeller av månens kärna och små telluriska planeters kärnor. Detta gör det möjligt för oss att föreslå en direkt sammansättnings- och hastighetsmodell för månens kärna.
- järn
- högt tryck
- hög temperatur
- Måne
- telluriska planetkärnor
Även om de telluriska planeterna och satelliterna har metalliska kärnor som huvudsakligen består av järn, innebär skillnaderna i bulkmassor olika tryck- (P) och temperaturförhållanden (T) i centrum av dessa kroppar. Detta återspeglar i sin tur kärnans fasta kontra flytande natur och den stabila kristallina strukturen i den fasta fasen. Den hexagonala slutna packade fasen (hcp, eller ε) är sannolikt den stabila Fe-fasen under tryck- och temperaturförhållandena i jordens kärna (1). Vid de måttliga P-T som kännetecknar kärnorna hos relativt små planeter, såsom Merkurius (P mellan ∼8 GPa och ∼40 GPa, T mellan ∼1 700 K och ∼2 200 K) (2) eller Mars (P mellan ∼24 GPa och ∼42 GPa, T mellan ∼2 000 K och 2 600 K) (3, 4), eller satelliter, inklusive månen (P∼5-6 GPa, T mellan 1 300 K och 1 900 K) (5), är den förväntade stabila strukturen för järn den ansiktscentrerade kubiska strukturen (fcc, eller γ) (6). För denna fas finns det inga omfattande experimentella mätningar av de aggregerade ljudhastigheterna som funktion av tryck och temperatur. Studierna är begränsade till en enda bestämning av Debye-hastigheten vid 6 GPa och 920 K (7) och till ett experiment med inelastisk neutronspridning (INS) vid omgivande tryck och 1428 K (8), även om en fullständig och konsekvent uppsättning mätningar av ljudhastigheter för kompressions- och skjuvvågor (respektive VP och VS) och densitet (ρ) vid högt tryck och hög temperatur är viktiga parametrar som behövs för att utveckla tillförlitliga seismiska modeller för planetära kärnor.
Månen är den enda telluriska kropp förutom jorden för vilken flera direkta seismiska observationer finns tillgängliga. Dessa tillhandahölls av Apollo Lunar Surface Experiments Package (9) som, trots det mycket begränsade antalet seismometrar och den partiella selenografiska omfattningen, gav värdefull information om strukturen i månens inre (10, 11). Seismiska undersökningar av månens djupaste inre (>900 km djup) är dock fortfarande en stor utmaning. Strukturen i månens kärna är kontroversiell, med endast en enda seismisk studie av kärnreflekterade och konverterade S- och P-vågor som direkt påvisar existensen av en fast inre och en flytande yttre kärna (10). Existensen av en flytande yttre kärna verkar också vara gynnad när man beaktar det polära tröghetsmomentet, det övergripande elastiska svaret på tidvattenpotentialen (Love-nummer) och mantelseismiska begränsningar (10⇓-12). I den analys av de seismiska data som föreslås i ref. 10 modellerades den inre kärnan som rent järn, medan den yttre flytande kärnan modellerades innehålla mindre än 13 viktprocent svavel legerat till järn (mindre än 6 viktprocent i hela kärnan). Olika indirekta observationer pekar också på att det finns en metallisk kärna (5, 12), även om studierna skiljer sig åt i många avseenden, t.ex. kärnans radie, dess fasta respektive flytande natur eller dess sammansättning. En exakt bestämning av strukturen och den kemiska sammansättningen av månens kärna är nödvändig för att förstå dagens dynamik och för att begränsa modellerna för månens ursprung och utveckling, inklusive den möjliga existensen av en numera utdöd måndynamo (5, 13).
Länken mellan seismiska observationer och geofysiska modeller kan åstadkommas genom experiment som undersöker ljudvågsutbredningen i kandidatmaterial vid relevanta termodynamiska förhållanden. Här genomförde vi mätningar av densitet (ρ) och ljudhastighet (VP och VS) på kroppcentrerat kubiskt (bcc) och fcc-järn vid samtidigt högt tryck och hög temperatur, med hjälp av inelastisk röntgenspridning (IXS) i kombination med röntgendiffraktionsmätningar (XRD).
IXS möjliggör en tydlig identifiering av longitudinella aggregatspridningar i polykristallina prover, en direkt härledning av VP och en uppskattning av VS (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements) (Fig. 1). Denna teknik har visat sig vara mycket lämplig för mätningar på metalliska prover som komprimerats i en diamantamboscell (14⇓-16) och har nyligen utökats för mätningar under samtidiga höga P-T-förhållanden (17⇓⇓-20). Dessutom ger kombinerade XRD-mätningar en entydig fasbestämning och en direkt härledning av provets densitet (SI Text, Inelastic X-Ray Scattering and Diffraction Measurements).