2023-02-15 アリゾナ州立大学
◆アリゾナ州立大学のSang-Heon Dan Shim教授とSuy Fu教授らの研究チームは、地球の外核に予想される高温高圧条件下で、鉄-水素合金液体中のシリコンリッチ結晶の生成の実験的観測を完了し、「ネイチャー」誌に発表した。
◆この結晶は、液体よりも軽いシリコンを十分に含んでいるため、液体金属鉄の中で結晶が浮き上がる。
◆この実験では、主著者である元ASUポスドクで現在東京大学日本学術振興会特別研究員であるFu氏と、ASUの地球宇宙探査学部教授でナブロツキー教授のShim氏、そしてシカゴ大学のStella Chariton氏とVitali Prakapenka氏が、実験室の観察から、外核にシリコンの多い結晶が雪として降っても沈まないで上昇することを予測した。
◆この実験では、ASUで鉄-シリコン合金を水素-アルゴン混合ガス中に装填します。その後、ダイヤモンドアンビルセルで炉心に想定される圧力まで圧縮した。高圧に保ったまま、DOEのアルゴンヌ国立研究所にある米国エネルギー省のユーザー施設、アドバンスト・フォトン・ソースで、レーザービームによってサンプルをコアに想定される温度まで加熱し、非常に明るいX線ビームを使ってダイヤモンドアンビルセル内の結晶化をモニターすることができるようにしました。
◆この現象は、金属核と岩石マントルの境界に、ケイ素を多く含む雪山を作ることができる。この場所には、何十年にもわたって地震画像研究において多くの謎めいた微細構造が見つかっている。
＜関連情報＞
- https://news.asu.edu/20230215-rising-siliconrich-snow-earths-outer-core
- https://www.nature.com/articles/s41586-023-05713-5
地球コア・マントル境界における地震波速度異常のコア起源を解明 Core origin of seismic velocity anomalies at Earth’s core–mantle boundary
Suyu Fu,Stella Chariton,Vitali B. Prakapenka & Sang-Heon Shim
Nature Published:15 February 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05713-5
Abstract
Seismic studies have found fine-scale anomalies at the core–mantle boundary (CMB), such as ultralow velocity zones (ULVZs)1,2 and the core rigidity zone3,4. ULVZs have been attributed to mantle-related processes5,6,7,8,9,10, but little is known about a possible core origin. The precipitation of light elements in the outer core has been proposed to explain the core rigidity zone3, but it remains unclear what processes can lead to such precipitation. Despite its importance for the outer core11, the melting behaviour of Fe–Si–H at relevant pressure–temperature conditions is not well understood. Here we report observations of the crystallization of B2 FeSi from Fe–9wt%Si melted in the presence of hydrogen up to 125 GPa and 3,700 K by using laser-heated diamond anvil cells. Hydrogen dramatically increases the Si concentration in the B2 crystals to a molar ratio of Si:Fe ≈ 1, whereas it mostly remains in the coexisting Fe liquid. The high Si content in the B2 phase makes it stable in a solid form at the outermost core temperatures and less dense than the surrounding liquids. Consequently, the Si-rich crystallites could form, float and be sedimented to the underside of the CMB interface, and that well explains the core side rigidity anomalies3,4. If a small amount of the FeSi crystals can be incorporated into the mantle, they would form dense low-velocity structures above the CMB, which may account for some ULVZs10. The B2 FeSi precipitation promoted by H in the outermost core provides a single core-driven origin for two types of anomalies at the CMB. Such a scenario could also explain the core-like tungsten isotope signatures in ocean island basalts12, after the materials equilibrated with the precipitates are entrained to the uppermost mantle by the mantle plumes connected to ULVZs.
