Email this article 
Determination of the Density of the Earth’s Core Based on the Equations of State of Iron and Titanium at High Pressures and Temperatures
- Authors: Medvedev A.B.1
-
Affiliations:
- Russian Federal Nuclear Center–All-Russian Research Institute of Experimental Physics
- Issue: Vol 61, No 6 (2023)
- Pages: 853-858
- Section: Thermophysical Properties of Materials
- URL: https://journals.rcsi.science/0040-3644/article/view/252384
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364423060108
- ID: 252384
Cite item
Open Access
Access granted
Subscription Access
Abstract
Using previously developed equations of state for iron and titanium, the density of the Earth’s core was calculated at a mass content of titanium in a mixture with iron of ~20%. This concentration is taken from data for high-titanium (HT) basalts, the formation of which in large igneous provinces is hypothetically associated with the ascent of thermal plumes in the mantle from the core to the surface. The calculated density on pressure dependences in the outer liquid and inner solid cores satisfactorily agree with the data of the preliminary reference Earth model (PREM).
About the authors
A. B. Medvedev
Russian Federal Nuclear Center–All-Russian Research Institute of Experimental Physics
Author for correspondence.
Email: postmaster@ifv.vniief.ru
Sarov, Russia
References
- Dehant V., Campuzano S.A., de Santis A.D., van Westrenen W. Structure, Materials, and Processes in the Earth’s Core and Mantle // Surveys in Geophysics. 2022. V. 43. № 1. P. 263.
- Dziewonski A.M., Anderson D.L. Preliminary Reference Earth Model // Phys. Earth Planet Inter. 1981. V. 25. P. 297.
- Bogatikov O.A., Sharkov E.V. Irreversible Evolution of Tectono-magmatic Processes at the Earth and Moon: Petrological Data // Petrology. 2008. V. 16. № 7. P. 629.
- Шарков Е.В., Богатиков О.А. Проблема эволюции ядра Земли: геолого-петрологические и палеомагнитные свидетельства // Докл. РАН. 2015. Т. 462. № 3. С. 346.
- Шарков Е.В., Богина М.М., Чистяков А.В., Злобин В.Л. Эволюция крупных изверженных провинций в истории Земли (на примере восточной части Балтийского щита) // Вулканология и сейсмология. 2020. № 5. С. 51.
- Грачев А.Ф. Мантийные плюмы и проблемы геодинамики // Физика Земли. 2000. № 4. С. 3.
- Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. С. 408.
- Campbell I.H. Large Igneous Provinces and the Mantle Plume Hypothesis // Elements. 2005. V. 1. P. 265.
- Белякова М.Ю., Жерноклетов М.В., Сутулов Ю.Н., Трунин Р.Ф. Ударное сжатие металлических сплавов // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1991. № 1. С. 99.
- Чарахчьян A.A., Милявский В.В., Хищенко К.В. Применение моделей смеси для анализа ударно-волновых экспериментов с неполным фазовым превращением // ТВТ. 2009. Т. 47. № 2. С. 254.
- Маевский К.К. Численное моделирование термодинамических параметров углерода // ТВТ. 2021. Т. 59. № 5. С. 701.
- Маевский К.К. Численное моделирование термодинамических параметров германия // ТВТ. 2022. Т. 60. № 6. С. 837.
- Militzer B., Gonzalez-Cataldo F., Zhang S., Driver K.P., Soubiran F. First-principles Equation of State Database for Warm Dense Matter Computation // Phys. Rev. E. 2021. V. 103. 013203.
- Pik R., Deniel K., Coulon C., Yirgu G., Hofmann C., Ayalew D. The Northwestern Ethiopian Plateau Flood Basalts: Classification and Spatial Distribution of Magma Types // J. Volcanol. Geotherm. Res. 1998. V. 81. P. 91.
- Natali C., Beccaluva L., Bianchini G.G., Ellam R.M., Savo A.G., Siena F., Stuart F.M. High-MgO Lavas Associated to CFB as Indicators of Plume-related Thermochemical Effects: The Case of Ultra-Titaniferous Picrite-basalt from the Northern Ethiopian–Yemeni Plateau // Gondwana Res. 2016. V. 34. P. 29.
- Natali C., Beccaluva L., Bianchini G.G., Siena F. Comparison Among Ethiopia-Yemen, Deccan, and Karoo Continental Flood Basalts of Central Gondwana: Insights on Lithosphere Versus Asthenosphere Contributions in Compositionally Zoned Magmatic Provinces. In: The Crust-Mantle and Lithosphere‒Asthenosphere Boundaries: Insights from Xenoliths, Orogenic Deep Sections, and Geophysical Studies / Ed. by Bianchini G., Bodinier J.-L., Braga R., Wilson M. Geological Society of America, 2017. Spec. Paper 526.
- Фунтиков А.И. Фазовая диаграмма и кривая плавления железа, полученные по данным статических и ударно-волновых измерений // ТВТ. 2003. Т. 41. № 6. С. 954.
- Подурец М.А. О плавлении железа в ударной волне // ТВТ. 2000. Т. 38. № 6. С. 895.
- Fortov V.E., Lomonosov I.V. Shock Waves and Equations of State of Matter // Shock Waves. 2010. V. 20. P. 53.
- Kerley G.I. Equations of State for Titanium and Ti6A14V Alloy. Sandia National Laboratories Report SAND 2003-3785, October 2003.
- Елькин В.М., Михайлов В.Н., Михайлова Т.Ю. Полуэмпирическое уравнение состояния твердых α-, ω-, β-фаз титана и жидкости с учетом испарения // ВАНТ. Сер. Теор. и прикл. физика. 2017. Вып. 1. С. 28.
- Медведев А.Б. Широкодиапазонное многофазное уравнение состояния железа // ФГВ. 2014. Т. 50. № 5. С. 91.
- Трунин Р.Ф., Симаков Г.В., Медведев А.Б. Сжатие титана в ударных волнах // ТВТ. 1999. Т. 37. № 6. С. 881.
- Gibson S.A., Thompson R.N., Dickin A.P., Leonardos O.H. Erratum to “High-Ti and Low-Ti Mafic Potassic Magmas: Key to Plume-Lithosphere Interactions and Continental Flood-basalt Genesis” // Earth Planet. Sci. Lett. 1996. V. 141. P. 325.
- Machado F.B., Rocha-Junior E.R.V., Marques L.S., Nardy A.J.R., Zezzo L.V., Marteleto N.S. Geochemistry of the Northern Parana Continental Flood Basalt (PCFB) Province: Implications for Regional Chemostratigraphy // Brazil. J. Geology. 2018. V. 48. № 2. P. 177.
- Xie-Yan Song, Hua-Wen Qi, Rui-Zhong Hu, Lie-Meng Chen, Song-Yue Yu. Formation of Thick Stratiform Fe‒Ti Oxide Layers in Layered Intrusion and Frequent Replenishment of Fractionated Mafic Magma: Evidence From the Panzhihua Intrusion, SW China // Geochem. Geophys. Geosyst. 2013. V. 14. P. 712.
- Escuder-Viruete J., Perez-Estaun A., Contreras F., Joubert M., Weis D., Ullrich T.D., Spadea P. Plume Mantle Source Heterogeneity Through Time: Insights from the Duarte Complex, Hispaniola, Northeastern Caribbean // J. Geoph. Res. 2007. V. 112. B04203.
- Медведев А.Б. Модель уравнения состояния с учетом испарения, ионизации и плавления // ВАНТ. Сер. Теор. и прикл. физика. 1992. Вып. 1. С. 12.
- Медведев А.Б., Трунин Р.Ф. Ударное сжатие пористых металлов и силикатов // УФН. 2012. Т. 182. Вып. 8. С. 829.
- Медведев А.Б. Об испарении железа после ударного сжатия // ФГВ. 2022. Т. 58. № 6. С. 100.
- Sinmyo R., Hirose K., Ohishi Y. Melting Curve of Iron to 290 GPa Determined in a Resistance-heated Diamond-anvil Cell // Earth Planet. Sci. Lett. 2019. V. 510. P. 45.
- Hirao N., Akahama Y., Ohishi Y. Equations of State of Iron and Nickel to the Pressure at the Center of the Earth // Matter Radiat. Extremes. 2022. V. 7. 038403.
- Kuwayama Y., Morard G., Nakajima Y., Hirose K., Baron A.Q.R., Kawaguchi S.I., Tsuchiya T., Ishikawa D., Hirao N., Ohishi Y. Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 124. 165701.
- Dewaele A., Stutzmann V., Bouchet J., Bottin F., Occelli F., Mezouar M. High Pressure-temperature Phase Diagram and Equation of State of Titanium // Phys. Rev. B. 2015. V. 91. 134108.
- Akahama Y., Kawaguchi S., Hirao N., Ohishi Y. Observation of High-pressure BCC Phase of Titanium at 243 GPa // J. Appl. Phys. 2020 V. 128. 035901.
- Eggert J.H., Hicks D.G., Celliers P.M., Bradley D.K., McWilliams R.S., Jeanloz R., Miller J.E., Boehly T.R., Collins G.W. Melting Temperature of Diamond at Ultrahigh Pressure // Nature Phys. 2010. V. 6. P. 40.
- Pecker S., Eliezer S., Fisher D., Henis Z. A Multiphase Equation of State of Three Solid Phases, Liquid, and Gas for Titanium // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. 043516.
- Диаграммы состояния двойных металлических систем. Спр. в 3-х т. Т. 2 / Под общ. ред. Лякишева Н.П. М.: Машиностроение, 1997. С. 1024.
Supplementary files
