高圧下におけるX線吸収法を用いた非晶質物質の密度測定：地球外核の組成解明に向けて

• Project/Area Number: 19K04007
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鎌田 誠司 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (30611793)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 地球核 / 非晶質物質 / 金属ガラス / X線吸収法密度測定 / ダイヤモンドアンビルセル / 高圧 / 密度 / 構造 / X線吸収法 / 密度測定 / 弾性的性質

Outline of Research at the Start

地球中心には主に鉄からなる核が存在する．地震波観測から地球核は液体外核と固体内核という層構造をなすことがわかっている．地球核を議論するために地球核物質の結晶物性は地球内核の物理的制約を与えることに貢献してきた．一方で，液体の密度や構造を調べる研究が，その難しさからあまり行われていなかった．本研究では，100 GPaに近い条件での密度測定を行ない，地球外核の物理的特徴を議論する．液体は非晶質であるためXRDパターンからの密度測定が難しい．本研究では，X線吸収法を用いて密度を100 GPaまで測定する計画である．地球核のアナログ物質として金属ガラスを用い，同時に金属ガラスの物性も議論する．

Outline of Annual Research Achievements

地球中心には、鉄からなる核が存在し、液体外核と固体内核に分けられる。核の密度や地震波速度を説明するために、主成分の鉄に加えて軽元素が含まれる。液体である外核の物理的性質を明らかにするために高温下での鉄系液体の密度測定が必要不可欠である。そのために、X線吸収法による高圧下密度測定の手法開発を進める。
前年度に立ち上げた試料室加工用のレーザー加工機を用いて金属ガスケットに穴を開け、セラミックスの切り出しテストを行なった。X線吸収実験によって求めた結晶鉄の密度は、XRDから求めた密度と比較して、25 GPaまでの圧力まで最大3%の差で一致した。本研究は論文としてまとめ投稿し、査読コメントに対応中である。これまで厚み参照試料としてはKBrとRbBrを利用した。ただ、鉄と試料室が異なるため、実験圧力の誤差が大きくなったため、試験的に鉄の試料室に試料室の1/3程度の大きさのNaClペレットも詰めた。NaClとFeが重なった状態での透過率を求め、KBrとRbBrの透過率から求めた試料室厚みを再現するNaClとFeの厚みとFeの密度をそれぞれ求めた。NaClの状態方程式から求めた圧力とFeの圧力はおおよそ一致した。
また、Zr系金属ガラスの測定は、KBrとRbBrを参照試料として用い、6 GPaまで測定を行なった。常圧室温下での密度は先行研究と比較して0.3%の差で一致した。6 GPaまでの測定から体積弾性率は46 GPa程度と分かった。弾性波速度測定も行ない、体積弾性率は114(2) GPa、剛性率は33.4(2) GPaと求められた。これらは先行研究とよい一致を示した。圧縮実験から求めたK0は弾性速度測定から求めた値と比較して小さいが、これは圧縮過程において弾性変形よりも塑性変形が卓越していることを示唆している。

Research Products

• [Journal Article] Elasticity of single-crystal NaCl under high-pressure: simultaneous measurement of x-ray inelastic scattering and diffraction (2020)
  • Author(s): Fukui Hiroshi、Yoneda Akira、Kamada Seiji、Uchiyama Hiroshi、Tsutsui Satoshi、Hirao Naohisa、Baron Alfred Q. R.
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 40 Issue: 4 Pages: 465-477
  • DOI: 10.1080/08957959.2020.1806260
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal Equation of State of Fe3C to 327 GPa and Carbon in the Core (2019)
  • Author(s): Suguru Takahashi, Eiji Ohtani, Daijo Ikuta, Seiji Kamada, Tatsuya Sakamaki, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi
  • Journal Title: Minerals Volume: 9(12) Issue: 12 Pages: 744-744
  • DOI: 10.3390/min9120744
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Compressional behavior and spin state of δ-(Al,Fe)OOH at high pressures (2019)
  • Author(s): Itaru Ohira, Jennifer M. Jackson, Natalia V. Solomatova, Wolfgang Sturhahn, Gregory J. Finkelstein, Seiji Kamada, Takaaki Kawazoe, Fumiya Maeda, Naohisa Hirao, Satoshi Nakano, Thomas S. Toellner, Akio Suzuki, Eiji Ohtani
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 104(9) Issue: 9 Pages: 1273-1284
  • DOI: 10.2138/am-2019-6913
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Elastic constants of single-crystal Pt measured up to 20 GPa based on inelastic X-ray scattering: Implication for the establishment of an equation of state (2019)
  • Author(s): S. Kamada, H. Fukui, A. Yoneda , H. Gomi, F. Maeda, S. Tsutsui, H. Uchiyama, N. Hirao, D. Ishikawa, A.Q.R. Baron
  • Journal Title: Comptes Rendus Geoscience Volume: - Issue: 2-3 Pages: 236-242
  • DOI: 10.1016/j.crte.2018.11.003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GHz Ultrasonic Velocity Measurement in Diamond Anvil Cell (2019)
  • Author(s): 米田明、小林真一郎、鎌田誠司
  • Journal Title: The Review of High Pressure Science and Technology Volume: 29 Issue: 2 Pages: 144-155
  • DOI: 10.4131/jshpreview.29.144
  • NAID: 130007680186
  • ISSN: 0917-639X, 1348-1940
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of density measurement for metals at high pressures and high temperatures uding X-ray absorption imaging combined with externally heated diamond anvil cell (2018)
  • Author(s): Yusaku Takubo, Hidenori Terasaki, Tadashi Kondo, Shingo Mitai, Seiji Kamada, Takumi Kikegawa, Akihiko Machida
  • Journal Title: Comptes Rendus Geoscience Volume: - Issue: 2-3 Pages: 182-189
  • DOI: 10.1016/j.crte.2018.04.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sound velocity of Fe3C at high pressure and high temperature determined by inelastic X-ray scattering (2018)
  • Author(s): Takahashi Suguru, Ohtani Eiji, Sakamaki Tatsuya, Kamada Seiji, Fukui Hiroshi, Tsutsui Satoshi, Uchiyama Hiroshi, Ishikawa Daisuke, Baron Alfred Q.R.
  • Journal Title: Comptes Rendus Geoscience Volume: 印刷中 Issue: 2-3 Pages: 190-196
  • DOI: 10.1016/j.crte.2018.09.005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Density measurements of Fe up to 25 GPa based on X-ray absorption (2020)
  • Author(s): 鎌田誠司，前田郁也、寺崎英紀，鶴岡椋，田窪勇作，河口沙織，平尾直久，町田晃彦
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] GHz ultarasonic velocity measurements of iron beyond the bcc-hcp transition (2020)
  • Author(s): 米田明、鶴岡椋、鎌田誠司、寺崎英紀
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] Single crystal elasticity of minerals under high-pressure conditions determined by inelastic x-ray scattering (2020)
  • Author(s): 福井宏之，米田明，鎌田誠司，Baron Alfred
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
  • Invited
• [Presentation] Density and elastic properties of liquid gallium using externally heated diamond anvil cell (2020)
  • Author(s): 鶴岡椋、寺崎英紀、鎌田誠司、前田郁也、近藤忠、山田伊織、浦川啓、米田明、平尾直久、河口沙織、町田晃彦
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] P-wave velocity of Fe3S under high pressure and temperature (2019)
  • Author(s): Seiji Kamada, Hidenori Terasaki, Hiroshi Fukui, Tatsuya Sakamaki, Hiroshi Uchiyama, Satoshi Tsutsui, Eiji Ohtani, Alfred Q.R. Baron
  • Organizer: JpGU2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density measurements of crystalline Fe and amorphous materials at high pressure (2019)
  • Author(s): Seiji Kamada, Hidenori Terasaki, Yusaku Takubo, Ryo Tsuruoka, Fumiya Maeda, Rui Yamada, Saori I. Kawaguchi, Naohisa Hirao, Akihiko Machida
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] B2 phase in the inner core: constraints from high pressure experiments (2019)
  • Author(s): Eiji Ohtani, Daijo Ikuta, Seiji Kamada, Tatsuya Sakamaki, Naohisa Hirao
  • Organizer: JpGU2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultralow-velocity zones possibly explained by light element-enriched iron compounds (2019)
  • Author(s): Liang Yuen, Eiji Ohtani, Ziang Wu, Shengxuan Huang, Daijo Ikuta, Tatsuya Sakamaki, Seiji Kamada, Hiroshi Fukui, Satoshi Tsutsui, Hiroshi Uchiyama, Daisuke Ishikawa, Naohisa Hirao, Alfred Q.R. Baron
  • Organizer: JpGU2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density measurement of liquid gallium using externally heated diamond anvil cell (2019)
  • Author(s): Ryo Terasaki, Hidenori Terasaki, Seiji Kamada, Iori Yamada, Fumiya Maeda, Tadashi Kondo, Satoru Urakawa, Naohisa Hirao, Akihiko Machida
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] DAC-GHz ultrasonic P wave velocity measurement on KCl and natural olivine (2019)
  • Author(s): Akira Yoneda, Shin-ichiro Kobayashi, Seiji Kamada
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 高温高圧下におけるFe3Sの音速 (2019)
  • Author(s): 鎌田誠司，寺崎英紀，福井宏之，坂巻竜也，内山裕士，筒井智嗣，大谷栄治，バロン・アルフレッド
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 高温高圧単結晶IXSに向けた温度圧力発生技術開発 (2019)
  • Author(s): 福井宏之，米田明，鎌田誠司，平尾直久，辻野典秀，内山裕士
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 高温高圧条件下におけるFe-Ni合金の音速―密度関係 (2019)
  • Author(s): 坂巻竜也，大谷栄治，福井宏之，鎌田誠司，バロン・アルフレッド
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] P波S波速度同時測定に向けたGHz-DAC音速法の開発 (2019)
  • Author(s): 米田明，小林真一郎，鎌田誠司
  • Organizer: 第60回高圧討論会