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Interstitial hydrogen atoms in face-centered cubic iron in the Earth's core

地球核のfcc鉄中の格子間水素原子

生田 大穣*; 大谷 栄治*; 佐野 亜沙美; 柴崎 裕樹*; 寺崎 英紀*; Yuan, L.*; 服部 高典

Ikuta, Daijo*; Otani, Eiji*; Sano, Asami; Shibazaki, Yuki*; Terasaki, Hidenori*; Yuan, L.*; Hattori, Takanori

水素は地球の核にある軽元素のひとつである。その重要性にもかかわらず、高圧で鉄格子中の水素を直接観察することはなされていない。われわれは世界で初めて、その場中性子回折法を用いて、12GPaおよび1200Kまでの面心立方(fcc)鉄格子におけるサイト占有率および格子間水素の体積の決定を行った。体心立方晶および二重六方最密相からfcc相への転移温度は、以前に報告されたものよりも高かった。5GPa以下の圧力では、fcc水素化鉄格子(x)中の水素含有量はx$$<$$0.3で小さかったが、圧力の増加と共にx$$>$$0.8まで増加した。水素原子は八面体(O)と四面体(T)の両方のサイトを占める。fcc格子は水素原子1個あたり2.22 $AA $^{3}$$の割合でほぼ直線的に拡大した。これは以前に推定された値(1.9 $AA $^{3}$$/H)よりも大きい。水素溶解による格子膨張は無視できるほど圧力に依存しない。格子間水素による大きな格子膨張は、コアの密度不足を説明する地球のコア内の推定水素含有量を減少させる。改訂された分析は、全コアが海洋質量の80倍の水素を含み、その内訳は外核と内核はそれぞれ79倍と0.8倍である。

Hydrogen is likely one of the light elements in the Earth's core. Despite its importance, no direct observation has been made of hydrogen in an iron lattice at high pressure. We made the first direct determination of site occupancy and volume of interstitial hydrogen in a face-centered cubic (fcc) iron lattice up to 12 GPa and 1200 K using the in situ neutron diffraction method. At pressures $$<$$ 5 GPa, the hydrogen content in the fcc iron hydride lattice (x) was small at x $$<$$ 0.3, but increased to x $$>$$ 0.8 with increasing pressure. Hydrogen atoms occupy both octahedral (O) and tetrahedral (T) sites; typically 0.870 in O-sites and 0.057 in T-sites at 12 GPa and 1200 K. The fcc lattice expanded approximately linearly at a rate of 2.22 $AA $^{3}$$ per hydrogen atom, which is higher than previously estimated (1.9 $AA $^{3}$$/H). The lattice expansion by hydrogen dissolution was negligibly dependent on pressure. The large lattice expansion by interstitial hydrogen reduced the estimated hydrogen content in the Earth's core that accounted for the density deficit of the core. The revised analyses indicate that whole core may contain hydrogen of 80 times of the ocean mass with 79 and 0.8 ocean mass for the outer and inner cores, respectively.

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