中性子回折用超高圧装置の開発と高圧下における水素結合系物質の挙動の解明

• Project/Area Number: 13J08679
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Petrology/Mineralogy/Science of ore deposit
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 飯塚 理子 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,320,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 高圧地球科学 / 中性子回折 / 水素 / 装置開発 / J-PARC / 高温高圧 / 水素結合 / 高圧装置開発 / J-PRAC

Outline of Annual Research Achievements

地球深部に遍在する水（水素）の存在状態を明らかにすることは、地球内部のダイナミクスや物質循環を理解する上で非常に重要である。本研究では水素を観察できる中性子線を用いることにより、地球深部に相当する高圧条件下において水や水素がどのような振る舞いをするのかを観察し、地球内部物質に対するこれらの影響を明らかにする手がかりを得ることを目的として、高温高圧中性子回折実験用に新たに開発したセルを導入し、研究を遂行した。
最終年度（出産育児により一時中断後研究を再開した残り２ヶ月間）は、主に解析と今後に向けた追試実験を行った。水素の振る舞いを直接観察できる中性子回折の手法を用いて鉄－シリケイト－水系の地球形成初期に集積した物質をモデル化した出発試料に対して高温高圧下その場観察を行い、高温高圧下で含水鉱物が脱水してできた水と固体の鉄とが反応して、鉄水素化物が生成する様子をリアルタイムでとらえることに成功した。これにより、鉄と鉄が水素化物となって有意に水を取り込むことが明らかになり、原始地球で始源物質が集積していく初期段階で、水素は鉄へと溶け込み始めていたことが示唆された。この研究結果は学術雑誌に論文として出版され、地球核に取り込まれた軽元素の問題に対して、これまで種々の実験が行われてきた純鉄とケイ酸塩の系だけではなく、水素化した鉄とケイ酸塩間での軽元素の分配を調べていくことの重要性を投げかけた。高圧下での中性子その場観察では、高温高圧が長時間安定に発生でき、かつ、大容量の試料でシグナル強度を稼げることが望ましい。そのためには、本研究で開発・導入した新型6-6セルに対して、高温高圧下での圧力抜け及びアンビルセルからの中性子の吸収を軽減などの課題を克服していく必要がある。今後の展望として、更なるセルの改良によりアセンブリの最適化を図っていくための基礎固めが本研究によってなされたと言える。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hydrogenation of iron in the early stage of Earth’s evolution (2017)
  • Author(s): Riko Iizuka-Oku, Takehiko Yagi, Hirotada Gotou, Takuo Okuchi, Takanori Hattori & Asami Sano-Furukawa
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 14096-14096
  • DOI: 10.1038/ncomms14096
  • NAID: 120006502092
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of new WC-Ni hardmetals for use in high pressure experiments (2015)
  • Author(s): K. Wada, T. Yagi, H. Gotou, R. Iizuka, M. Kawakami, K. Kitamura, K. Hayashi
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 35 Issue: 3 Pages: 263-272
  • DOI: 10.1080/08957959.2015.1035717
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of x-ray radiography to study the segregation process of iron from silicate under high pressure and high temperature. (2015)
  • Author(s): H. Gotou, T. Yagi, R. Iizuka and A. Suzuki
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 35 Issue: 2 Pages: 130-138
  • DOI: 10.1080/08957959.2015.1028932
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase transitions and hydrogen bonding in deuterated calcium hydroxide: High-pressure and high-temperature neutron diffraction measurements. (2014)
  • Author(s): R. Iizuka, K. Komatsu, H. Kagi, T. Nagai, A. Sano-Furukawa, T. Hattori, H. Gotou and T. Yagi
  • Journal Title: Journal of Solid State Chemistry Volume: 218 Pages: 95-102
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2014.06.010
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Performance of ceramic anvils for high pressure neutron scattering. (2014)
  • Author(s): K. Komatsu, S. Klotz, A. Shinozaki, R. Iizuka, L.E. Bove, and H. Kagi
  • Journal Title: High Pressure Research (Proceeding of EHPRG) Volume: 34 Issue: 4 Pages: 494-499
  • DOI: 10.1080/08957959.2014.986476
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Crystal structure of the high-pressure phase of calcium hydroxide, portlandite : In situ powder and single-crystal X-ray diffraction study (2013)
  • Author(s): R. lizuka T. Yagi, K. Komatsu, H. Gotou, T. Tsuchiya, K. Kusaba, H. Kagi
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 98 Issue: 8-9 Pages: 1421-1428
  • DOI: 10.2138/am.2013.4386
  • Peer Reviewed
• [Presentation] In situ neutron diffraction of iron hydride under high pressure and temperature in Fe-silicate-water system: Implications for the Earth's evolution (2017)
  • Author(s): Riko Iizuka-Oku, Takehiko Yagi, Hirotada Gotou, Takuo Okuchi, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: 千葉県幕張市幕張メッセ
  • Year and Date: 2017-05-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dissolution of hydrogen into iron by the dissociation of hydrous minerals under pressure (2016)
  • Author(s): Riko Iizuka-Oku, Takehiko Yagi, Hirotada Gotou, Takuo Okuchi, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • Place of Presentation: 千葉県幕張市 幕張メッセ
  • Year and Date: 2016-05-22
• [Presentation] 高温高圧下での鉄ーケイ酸塩ー水の中性子回折その場観察と鉄水素化物生成 (2015)
  • Author(s): 飯塚理子, 後藤弘匡, 八木健彦, 奥地拓生, 佐野亜沙美, 服部高典
  • Organizer: 第56回高圧討論会
  • Place of Presentation: 広島県広島市 JMSアステールプラザ
  • Year and Date: 2015-11-10
• [Presentation] High pressure and high temperature deformation on lawsonite: Implication for low velocity layers in subduction zones (ローソン石の高温高圧変形実験による結晶方位定向配列の観察：沈み込むスラブに見られる地震波の低速度異常層の解釈) (2015)
  • Author(s): R. Iizuka, V. Soustelle, N. Miyajima, D. Frost, and T. Yagi
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2015年大会
  • Place of Presentation: 千葉県幕張市 幕張メッセ
  • Year and Date: 2015-05-27
• [Presentation] ローソン石の高温高圧変形実験による結晶方位定向配列の観察：沈み込むスラブに見られる地震波の低速度異常層の解釈: High pressure and high temperature deformation on lawsonite: Implication for low velocity layers in subduction zones (2015)
  • Author(s): R. Iizuka, V. Soustelle, N. Miyajima, D. Frost, and T. Yagi
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2015年大会
  • Place of Presentation: 千葉県幕張市、幕張メッセ
  • Year and Date: 2015-05-27
• [Presentation] J-PARC, PLANETでの高温高圧中性子回折その場観察によるCa(OD)2の水素位置決定 (2015)
  • Author(s): 飯塚理子, 小松一生, 佐野亜沙美, 服部高典, 後藤弘匡, 永井隆哉, 鍵裕之, 八木健彦
  • Organizer: 第３回物構研サイエンスフェスタ-第６回MLFシンポジウム
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市、国際会議場
  • Year and Date: 2015-03-17
• [Presentation] 中性子実験用の新型ジャケット付きアンビルとそれを用いた6-6式高温高圧実験技術の開発 (2014)
  • Author(s): 後藤弘匡，八木健彦，飯塚理子
  • Organizer: 第55回高圧討論会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 2014-11-23
• [Presentation] ラジオグラフィーによるケイ酸塩-鉄分離過程のその場観察 (2014)
  • Author(s): 八木健彦, 後藤弘匡, 飯塚理子, 鈴木昭夫, 井上徹
  • Organizer: 第55回高圧討論会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 2014-11-22
• [Presentation] Crystallographic preferred orientation of lawsonite determined by deformation experiments at high pressure and temperature: Implications for low velocity layers in subduction zones (2014)
  • Author(s): R. Iizuka, V. Soustelle, N. Walte, D.J. Frost, and T. Yagi
  • Organizer: Academy Commission (Commission for High-Pressure Research of the Bavarian Academy of Science)
  • Place of Presentation: Bayerisches Geoinstitut, Bayreuth, Germany
  • Year and Date: 2014-05-15
• [Presentation] J-PARC高圧中性子ビームライン(PLANET)の地球惑星科学への応用 (2014)
  • Author(s): 鍵裕之, 飯塚理子, 小松一生, 八木健彦, 永井隆哉, 井上徹, 佐野亜沙美, 服部高典
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2014年度連合大会
  • Place of Presentation: 横浜市
  • Year and Date: 2014-05-02
• [Presentation] J-PARC高圧中性子ビームライン(PLANET)の地球惑星科学への応用 (2014)
  • Author(s): 鍵裕之, 飯塚理子, 小松一生, 人木健彦, 永井隆哉, 井上徹佐野沙美, 服部高典
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年度連合大会
  • Place of Presentation: 横浜市(発表確定)
  • Year and Date: 2014-05-02
• [Presentation] Ca (OD)_2の高圧下での熱膨張 (2014)
  • Author(s): 永井隆哉, 佐野亜沙美, 飯塚理子, 鍵裕之, 服部高典
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014年度連合大会
  • Place of Presentation: 横浜市(発表確定)
  • Year and Date: 2014-05-01
• [Presentation] 部分融解したケイ酸塩から溶融鉄が分離する過程の高温高圧下におけるX線透視を用いたその場観察 (2014)
  • Author(s): 八木健彦, 後藤弘匡, 飯塚理子, 鈴木昭夫
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2014年度連合大会
  • Place of Presentation: 横浜市(発表確定)
  • Year and Date: 2014-04-29
• [Presentation] Preferred orientation of lawsonite determined by deformation experiments at high pressure and temperature : Implications for low velocity layers in subduction zones (2013)
  • Author(s): R. Iizuka. Soustelle, N. Waite, D . J. Frost, T. Yagi
  • Organizer: American Geophysical Union 2013 fall meeting
  • Place of Presentation: San Francisco USA
  • Year and Date: 2013-12-12
• [Presentation] 中性子実験に向けた高温高圧セルの開発 (2013)
  • Author(s): 飯塚理子, 後藤弘匡, 八木健彦
  • Organizer: 日本高圧力学会 第54回高圧討論会
  • Place of Presentation: 新潟市
  • Year and Date: 2013-11-15
• [Presentation] PLANETでの高温高圧中性子回折その場観察によるportlanditeの水素位置決定 (2013)
  • Author(s): 飯塚理子, 永井隆哉, 佐野亜沙美, 瀬戸雄介, 栗林貴弘, ・服部高典, 鍵裕之
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年度連合大会
  • Place of Presentation: 幕張市
  • Year and Date: 2013-05-22
• [Presentation] 中性子回折実験によるローソナイトの高圧下相転移の観察 (2013)
  • Author(s): 佐野亜沙美, 永井隆哉, 飯塚理子, 瀬戸雄介, 栗林貴弘, 服部高典
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年度連合大会
  • Place of Presentation: 幕張市
  • Year and Date: 2013-05-22
• [Presentation] 高温高圧下での中性子回折実験によるポートランダイト中の水素位置の決定 (2013)
  • Author(s): 永井隆哉, 佐野亜沙美, 飯塚理子鍵裕之, 瀬戸雄介, 栗林貴弘, 服部高典
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年度連合大会
  • Place of Presentation: 幕張市
  • Year and Date: 2013-05-22
• [Remarks] 愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター／研究／研究成果／論文
  • URL: http://www.grc.ehime-u.ac.jp/research/achievement/publications
• [Remarks] 愛媛大学地球ダイナミクス研究センター／研究／研究成果／論文
  • URL: http://www.grc.ehime-u.ac.jp/research/publications/publications