The Elasticity of Iron Alloys at Extreme Conditions
L’Élasticité des alliages de fer sous conditions êxtreme
Résumé
For nearly 40 years, there has been a robust seismological model (PREM - Preliminary Reference Earth Model) which reports the elastic properties (compressional velocity - Vp, shear velocity - Vs, and density - ρ) of the Earth’s core, and yet there is still no clear consensus on the chemical composition which can match such properties at relevant pressures and temperatures. While iron has elastic properties which are close to those of the solid inner core, iron alone is too heavy to match the density of the inner core. In light of this, and based on a series of cosmochemical and geochemical arguments, Si has been proposed for many years in varying quantities as a material which could explain the difference in material properties between Fe and PREM. Using a combination of Synchrotron X-ray Diffraction and Picosecond Acoustics, ρ and Vp of Fe-Si and Fe-Ni-Si alloys have been measured to pressures and temperatures exceeding 1 Mbar and 2000 K. Obtained data allows an accurate determination of Velocity-Density relations, both P-V and P-V-T equations of state, and axial ratios of a variety of geophysically important Fe-Si and Fe-Ni-Si alloys. These results are used to discuss the elastic properties of Fe-Si alloys at high pressure - high temperature conditions to place tight constraints on Si abundance in the Earth’s inner core.
Depuis environ 40 ans, il existe un modèle séismologique fiable (appelé PREM pour Preliminary Reference Earth Model) qui rend compte des propriétés élastiques (vitesse de compression - Vp, vitese transverse - Vs, et masse volumique - ρ) du noyau terrestre, mais il n’existe pas de consensus clair sur la composition chimique qui peut correspondre à de telles propriété s aux températures et pressions souhaitées. Tandis que le fer a des propriétés élastiques qui sont proches de celles du noyau interne, le fer est trop lourd pour expliquer, à lui seul, la masse volumique du noyau terrestre. À la lumière de ces connaissances, et grâce à une série d’arguments cosmochimiques et géochimiques, le silicium comme impureté a été proposé pour expliquer la différence entre les propriétés du Fe seul et du modèle PREM. En utilisant une combinaison de diffraction des rayons-X en synchrotron et la technique acoustique picoseconde, ρ et Vp des alliages Fe-Si et Fe-Ni-Si ont été mesurés à des pressions dépassant 1 Mbar et 2000 K. Les données obtenues nous permettent une détermination précise des relations vitesse-masse volumique, des équations d’état P-V et P-V-T, ainsi que des rapports axiaux pour ces alliages. Ces résultats sont utilisés pour discuter des propriétés élastiques des alliages Fe-Si à haute pression – haute température pour fixer des contraintes sévères sur l’abondance de Si dans le noyau terrestre interne.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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