R3：高圧科学・地球深部

[R3-12] 高温高圧下におけるB2-FeNiSi相の音速測定と地球核の構成

*大谷 栄治¹、生田 大穣²、福井 宏之^3,4、坂巻 竜也¹、石川 大介^3,4、バロン アルフレッド^3,4 (1. 東北大・院理、2. 岡山大惑星物質研、3. JASRI、4. 理研)

キーワード：音速、B2-FeNiSi合金、高温高圧、内核

Fe-Ni-Si系の高温高圧下における相関係（Ikuta et al., 2021）によると，B2相のFe_0.67Ni_0.06Si_0.27合金は地球核の高温高圧下において，Si量の少ないhcp-FeNi合金（またはSiをほとんど含まないhcp-Fe-Ni合金）と共存する．内核がB2相とhcp相の混合物からなる可能性を検証するために，B2-Fe_0.67Ni_0.06Si_0.27(7wt% Ni-15wt% Si)の高温高圧下（130 GPa、2300 Kまでの温度圧力条件）における音速と密度を，SPring-8のBL43LXUビームラインの高分解能X線非弾性散乱法とX線粉末法を用いて測定した．高圧の発生にはダイヤモンドアンビル高圧装置を，高温の発生と測温には，ポータブルレーザー加熱測温装置を用いた．その結果，縦波速度（Vp）と密度（ρ）には，線形の関係（バーチ則）が成り立ち，その温度依存性はほとんど存在しないことが明らかになった．このようにバーチ則の弱い温度依存性は，純鉄のbcc相（Shibazaki et al., 2016）およびFeSi合金のB20相（Whitaker et al., 2009）に見られる温度依存性と同様である．本研究で得られたB2-Fe_0.67Ni_0.06Si_0.27合金のV_P-ρ関係を内核の条件に外挿するとともに，状態方程式との組み合わせで横波速度（V_S）を見積もり，地震学的モデルPREMの内核の値と比較した．内核の温度を6000 Kと見積もると，内核の条件において，B2-Fe_0.67Ni_0.06Si_0.27合金とhcp-Fe-Ni合金の二相混合物のV_PとV_Sは，PREMの値と比較して，どちらも誤差の範囲ではあるが僅かに大きい値を示す．この結果から，PREMの内核はFe-Ni-Si合金のB2相とhcp相の混合物として説明可能であるが，PREMの内核をより良く説明できる可能性として，（1）内核の温度が本研究で想定した6000 Kより高い，（2）ケイ素に加えて，鉄合金に含有されることで音速（V_PとV_S）を下げる性質を示すと考えられるケイ素以外の軽元素成分（例えば硫黄）が内核に含まれていることなどの可能性が考えられる．

引用文献
Dziewonski and Anderson (1981). Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 25, 297‒356.
Ikuta et al. (2021). Two-phase mixture of iron–nickel–silicon alloys in the Earth’s inner core, Communications Earth and Environments, 2, 225.
Shibazaki et al. (2016). Compressional and shear wave velocities for polycrystalline bcc-Fe up to 6.3 GPa and 800 K. American Mineralogist, 101(5), 1150–1160.
Whitaker et al. (2009). Thermoelasticity of ε-FeSi to 8 GPa and 1273 K. American Mineralogist, 94, 1039–104