高温高圧実験による地球形成初期過程における軽元素の探究
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18K13630
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
飯塚 理子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (80632413)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 高圧地球科学 / 水素 / 水 / 中性子回折 / その場観察 / 地球進化 / 放射光X線 / 高温高圧 / 軽元素 / 高温高圧実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉄を主成分とする地球コアには、複数の軽元素が存在すると考えられている。申請者は過去の研究で、有力候補である水素を直接観察できる中性子と大型6軸プレスを組み合わせ、地球の始源物質に見立てた試料に対して高温高圧下での中性子回折測定を行い、鉄に水素が有意に取り込まれることを明らかにした。原始地球の進化過程のさらなる解明には、純鉄ではなく、水と鉄とが酸化還元反応を介して生成した鉄水素化物とケイ酸塩間における複数の軽元素の振る舞いを同時に調べることが重要となる。そこで本研究では、水素と硫黄を含む鉄ー含水ケイ酸塩の多成分系に着目し、放射光X線とパルス中性子線のマルチ量子ビームを用いた高温高圧下その場観察から、反応生成物や反応プロセス、鉄の水素化に対する硫黄の影響を探索することを目的とした。
R1年度は、前年度に開発したX線イメージング用の高解像度カメラシステムをアップデートさせ、z軸ステージの制御自動化と動画撮影用のソフトウェアプログラムの導入を行った。これによりシリケイト中で鉄滴が凝集して球となり沈降していく様子を静止画ではなく連続したタイムスケールで観察することに成功した。中性子回折測定では、安定に長時間加熱し、かつ、クオリティの高いデータを取得するためのセル構成に改良を施した。10 GPa, 1000Kを超えるこれまでよりも高い温度圧力領域で鉄水素化物の回折パターンを得ることができ、その水素の固溶量と結晶構造中の原子位置を決定した。試料の組成を変えて複数回の実験を行った結果、硫黄は水素化を阻害することが明らかになった。水の存在により鉄と硫黄の反応が促進されることから、水は地球の進化において必須要素であり、微惑星が衝突して原始物質が集積していく地球形成のごく初期の段階で水素と硫黄の両方が固体の鉄と優先的に反応していたことが示唆される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究の目標達成率は70-80%程度と自己判断する。KEK PFでの放射光X線、J-PARC, MLFでの中性子実験において予期せぬブローアウトや加熱トラブルに見舞われ、計画通りに全ての実験ができなかったことが原因である。セル構成を見直し、ヒーターやカプセルの材質・サイズを改良して、次のビームタイムに臨んで課題を克服した。回収できた試料の分析は問題なくできており、あとは2020年3月に行った実験の回収試料のSEM分析待ちである。
本研究の成果は、2020年度に予定されている国内外の学会で発表予定（招待講演含む）であり、論文も執筆中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
放射光X線の実験では、出発物質の混合比や温度圧力条件を変えて実験回数を重ねることにより、生成物や反応プロセスの相違について継続して突きとめて行く。X線回折パターンやX線イメージングによる試料の変化をリアルタイムで観察し、コアーマントル分離のプロセスで起きている現象をパーコレーションやダイアピアモデルに照らして考察する。中性子実験では、実験で到達可能な温度範囲やリートベルト解析における課題は多々あるが、液体鉄中のその場観察にもチャレンジしたい。溶融した鉄中に取り込まれる水素量について明らかにすることで、原始地球のマグマオーシャンへの応用的考察が可能となる。
また回収試料のケイ酸塩部分の赤外吸収スペクトルの測定を行うことで、ppmオーダーで残っていると考えられる水分量を決定する。これにより、鉄水素化物とケイ酸塩中の水素の分配についてより詳細な考察を行える。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
