地球のコア条件における鉄-ケイ素合金の熱伝導率の低さと地磁気への影響

Low thermal conductivity of iron-silicon alloys at Earth's core conditions with implications for the geodynamo.

• Wen-Pin Hsieh
• Alexander F Goncharov
• Stéphane Labrosse
• Nicholas Holtgrewe
• Sergey S Lobanov
• Irina Chuvashova
• Frédéric Deschamps
• Jung-Fu Lin

抄録

地球のコアは、鉄（Fe）とケイ素（Si）などの軽元素との合金で構成されています。その熱伝導率は地球の熱構造、進化、ダイナミクスに決定的な影響を与え、地球の歴史の中でジオダイナモを維持するために必要な熱源や組成の大きさを制御します。ここでは、144GPaと3300Kまでの固体FeとFe-Si合金の熱伝導率を直接測定した。15at%のSiをFeに合金化した場合、132GPaと3000Kでは伝導率が約2倍に低下することがわかった。15 at%のSiを添加した外側コアの導電率は約20Wm Kとなり、同様の圧力温度条件では純Feよりも低くなります。このことは、コア-マントル境界を横切る最小熱流が3TW程度と、これまでに予想されていたよりも低く、その結果、ジオダイナモを作動させるために必要とされる熱エネルギーが少なくなることを示唆している。この結果は、20億年以上前の内核年代についての重要な制約条件を提供するものである。

Earth's core is composed of iron (Fe) alloyed with light elements, e.g., silicon (Si). Its thermal conductivity critically affects Earth's thermal structure, evolution, and dynamics, as it controls the magnitude of thermal and compositional sources required to sustain a geodynamo over Earth's history. Here we directly measured thermal conductivities of solid Fe and Fe-Si alloys up to 144 GPa and 3300 K. 15 at% Si alloyed in Fe substantially reduces its conductivity by about 2 folds at 132 GPa and 3000 K. An outer core with 15 at% Si would have a conductivity of about 20 W m K, lower than pure Fe at similar pressure-temperature conditions. This suggests a lower minimum heat flow, around 3 TW, across the core-mantle boundary than previously expected, and thus less thermal energy needed to operate the geodynamo. Our results provide key constraints on inner core age that could be older than two billion-years.