火星のコア形成と地球物理学的特性

Core Formation and Geophysical Properties of Mars.

• Matthew C Brennan
• Rebecca A Fischer
• Jessica C E Irving

抄録

地球型惑星の内部の化学的・物理的性質は、その形成と分化の過程で大きく決定される。惑星の形成をモデル化することで、そのコアとマントルの性質を知ることができ、逆にそれらの性質を知ることで、惑星の形成の物語を制約することができる。本研究では、火星コア形成の多段階モデルを提示し、高温高圧金属-珪酸塩分割実験のパラメータを用いてコア-マントル平衡化を計算した。このモデルでは、コア-マントル境界条件の変化、組成依存的なパーティショニング、金属とケイ酸塩の部分平衡化を考慮しており、自己矛盾なく酸素充填量(O)を進化させることができる。このモデルは、バルク珪酸塩火星のほとんどの元素量の隕石ベースの推定値を再現することに成功し、コア形成条件やコア組成を推定するのに使用することができる。この組成は、火星を形成した原始物質が地球よりも著しく酸化されていたこと（鉄-ユースタイト緩衝液の0.9-1.4 log単位以下）、火星のコア-マントル平衡化は進化するCMBの圧力の42-60%で起こったことを示唆している。平均して、各衝突では、少なくとも84％の金属と40％のマントルが平衡化されており、これは地球の場合に報告されている金属の平衡化の程度を大幅に上回っている。これまでの研究と同様に、モデル化された火星のコアは硫黄（18-19 wt%）に富み、酸素は1重量％以下、Siはごくわずかであった。我々は、これらのコアとマントル組成を用いて、現在の火星内部の物理モデルを作成し、地殻厚、マントル温度、コア組成、コア温度、コア合金の密度に対するコア半径の感度を評価した。これらの特性が、惑星質量、半径、慣性モーメント、潮汐ラブ数などの観測可能な物理パラメータにどのように影響するかのトレードオフにより、1620-1870kmの可能性のあるコア半径の範囲が定義された。いくつかのモデルパラメータの組み合わせに対する地震速度プロファイルを用いて、地震体波の移動時間と惑星の法線モード周波数を予測した。これらの結果は、今後の火星地震データと比較して、コア形成条件と地球物理学的特性をさらに制約することができる。

The chemical and physical properties of the interiors of terrestrial planets are largely determined during their formation and differentiation. Modeling a planet's formation provides important insights into the properties of its core and mantle, and conversely, knowledge of those properties may constrain formational narratives. Here, we present a multi-stage model of Martian core formation in which we calculate core-mantle equilibration using parameterizations from high pressure-temperature metal-silicate partitioning experiments. We account for changing core-mantle boundary (CMB) conditions, composition-dependent partitioning, and partial equilibration of metal and silicate, and we evolve oxygen fugacity (O) self-consistently. The model successfully reproduces published meteorite-based estimates of most elemental abundances in the bulk silicate Mars, which can be used to estimate core formation conditions and core composition. This composition implies that the primordial material that formed Mars was significantly more oxidized (0.9-1.4 log units below the iron-wüstite buffer) than that of the Earth, and that core-mantle equilibration in Mars occurred at 42-60% of the evolving CMB pressure. On average, at least 84% of accreted metal and at least 40% of the mantle were equilibrated in each impact, a significantly higher degree of metal equilibration than previously reported for the Earth. In agreement with previous studies, the modeled Martian core is rich in sulfur (18-19 wt%), with less than one weight percent O and negligible Si. We have used these core and mantle compositions to produce physical models of the present-day Martian interior and evaluate the sensitivity of core radius to crustal thickness, mantle temperature, core composition, core temperature, and density of the core alloy. Trade-offs in how these properties affect observable physical parameters like planetary mass, radius, moment of inertia, and tidal Love number define a range of likely core radii: 1620-1870 km. Seismic velocity profiles for several combinations of model parameters have been used to predict seismic body-wave travel times and planetary normal mode frequencies. These results may be compared to forthcoming Martian seismic data to further constrain core formation conditions and geophysical properties.