Exploring habitability on Early Mars from Environmental Science Approaches

• Project/Area Number: 21H04515
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 福士 圭介 金沢大学, 環日本海域環境研究センター, 教授 (90444207)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長 勇一郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00737687) ; 関根 康人 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (60431897) ; 松木 篤 金沢大学, 環日本海域環境研究センター, 准教授 (90505728)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥43,680,000 (Direct Cost: ¥33,600,000、Indirect Cost: ¥10,080,000); Fiscal Year 2023: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2022: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2021: ¥29,770,000 (Direct Cost: ¥22,900,000、Indirect Cost: ¥6,870,000)
• Keywords: 初期火星 / 惑星探査 / 水質 / 古環境 / ラマン分光 / 水質復元 / ラマン・赤外分光

Outline of Research at the Start

現在火星は寒冷・乾燥化した惑星であるが、約40億年前は温暖な時期があり、表面では大規模な水循環が存在していたことが明らかとなっている。NASAの火星探査車はかつての湖沼に降り立ち、初期火星に存在した水環境および生命の痕跡を探査している。本研究では、我々が独自に開発した手法をNASA火星探査車により得られる分析データに適用することで、初期火星に存在した液体の水の水質を定量的に復元する。復元した水質に基づいて初期火星に水（や生命）の存在を可能にした環境条件を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

NASA探査車パーシビアランスは火星のかつて湖だったジェゼロクレーターにて生命の痕跡を探査している。リモートセンシングによる観測から、ジェゼロクレーターには水の作用で生成した粘土鉱物が存在することが確認されており、その鉱物種や化学組成を同定できれば、過去のジェゼロクレーターに存在した水質を知る手掛かりになる。今年度はこれまでに開発したパーシヴィアランスとほぼ同様の仕様を持つ時間ゲートラマン分光計を用いて未知試料のラマンスペクトルから、粘土鉱物種を分類同定する手法の検討を行った。スメクタイト４種、タルク、蛇紋石２種および無水ケイ酸塩２種、さらに炭酸塩鉱物２種、全23試料を対象に、一般的な顕微ラマン（以降ノーマルラマン）分光測定および時間ゲートラマン測定を行い、得られたスペクトルの系統的な比較を行った。その結果、ノーマルラマンでは各試料で得られたラマンピークから、鉱物種レベルまで層状ケイ酸塩を分類できることを示した。一方、時間ゲートラマン測定では、パーシビアランスの仕様条件である露光時間では、ほとんどの層状ケイ酸塩試料で鉱物に由来するラマンピークは得られないことを示した。現在パーシビアランスはジェゼロクレーターにおいて粘土鉱物をラマン分光分析において見出していないが、その理由は現行の仕様では検出できない可能性が示唆された。
パーシビアランスによる探査から、ジェゼロクレーターには稀産であるもののマグネシウム炭酸塩鉱物が存在することが確認されている。本年度は水溶液からのマグネシウム炭酸塩鉱物の生成挙動に関する検討も行った。その結果、水溶液からの沈殿で生成するマグネシウム炭酸塩の溶解度は強い温度依存性があり、ゼロ度付近の低温条件では生成が大きく抑制されることを明らかにした。この結果は火星における炭酸塩の稀産性を説明する可能性がある。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] モンゴル国立大学(モンゴル)
• [Int'l Joint Research] モンゴル国立大学(モンゴル)
• [Journal Article] Comparing the radiolytic oxidation of sulfur and chloride within ice on Europa and Mars (2024)
  • Author(s): Tan Shuya、Sekine Yasuhito、Kikuchi Takashi、Suematsu Hisayuki、Hama Tetsuya、Takahashi Yoshio
  • Journal Title: Icarus Volume: 410 Pages: 115873-115873
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115873
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparative study on cavernous weathering features formed by coastal processes and acidic alteration: Implications for rounded pits on Martian rocks (2024)
  • Author(s): Sugiuchi Mitsuteru、Sekine Yasuhito、Takahashi Satoshi
  • Journal Title: Icarus Volume: 410 Pages: 115889-115889
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115889
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fraunhofer line-based wavelength-calibration method without calibration targets for planetary lander instruments (2024)
  • Author(s): Mori, S., Cho, Y., Tabata, H., Yumoto, K., Bottger, U., Buder, M., Dietz, E., Hagelschuer, T., Hubers, H.-W., Kameda, S., Kopp, E., Prieto-Ballesteros, O., Rull, F., Ryan, C., Schroder, S., Usui, T., Sugita, S.
  • Journal Title: Planetary and Space Science Volume: 240 Pages: 105835-105835
  • DOI: 10.1016/j.pss.2023.105835
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Systematic comparison of Mg K-edge XANES spectra of magnesium-bearing clay minerals and magnesium silicate hydrates: A promising tool for identifying magnesium silicate hydrate in natural samples (2023)
  • Author(s): Inoue Kosuke、Nishiki Yuto、Fukushi Keisuke、Suma Reo、Sato Tsutomu、Sakuma Hiroshi、Tamura Kenji、Yokoyama Shingo、Shimbashi Misato、Mizukami Tomoyuki、Unami Kensuke、Noji Yohei、Kitajima Takuma、Fukaya So、Takeichi Yasuo、Yamashita Shohei、Suga Hiroki、Takahashi Yoshio
  • Journal Title: Applied Clay Science Volume: 245 Pages: 107152-107152
  • DOI: 10.1016/j.clay.2023.107152
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dark microbiome and extremely low organics in Atacama fossil delta unveil Mars life detection limits (2023)
  • Author(s): Azua-Bustos Armando、et al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36172-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of carbonate-associated sulfate (CAS) in a Noachian Martian meteorite Allan Hills 84001 (2023)
  • Author(s): Kajitani Iori、Koike Mizuho、Nakada Ryoichi、Tanabe Gaku、Usui Tomohiro、Matsu'ura Fumihiro、Fukushi Keisuke、Yokoyama Tetsuya
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 620 Pages: 118345-118345
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118345
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solubility of Amorphous Magnesium Carbonate at Low Temperatures: Implications for Carbonate Mineral Formation in Alkaline Lakes (2023)
  • Author(s): Kitajima Takuma、Fukushi Keisuke、Baasansuren Gankhurel、Davaadorj Davaasuren、Shuukhaaz Ganbat、Uyangaa Udaanjargal、Tuvshin Gerelmaa、Sekine Yasuhito、Takahashi Yoshio、Yoda Masahiro、Hasebe Noriko
  • Journal Title: ACS Earth and Space Chemistry Volume: 7 Issue: 6 Pages: 1227-1234
  • DOI: 10.1021/acsearthspacechem.3c00030
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective formation of surface flow due to salt precipitation within soils upon repeated brine seepages on Mars (2023)
  • Author(s): Imamura Shoko、Sekine Yasuhito、Maekawa Yu、Kurokawa Hiroyuki、Sasaki Takenori
  • Journal Title: Icarus Volume: 396 Pages: 115500-115500
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115500
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Science objectives of the MMX rover (2023)
  • Author(s): Ulamec Stephan他
  • Journal Title: Acta Astronautica Volume: 210 Pages: 95-101
  • DOI: 10.1016/j.actaastro.2023.05.012
• [Journal Article] Deuterated PET: The new verification target of the Raman spectrometer for the MMX mission to explore Phobos (2023)
  • Author(s): Moral Andoni G.、Mora Julio、Prieto‐Ballesteros Olga、Ercilla Oscar、Lopez‐Reyes Guillermo、Canora Carlos P.、Bonales Laura J.、Fernandez‐Sampedro Maite、Sanz‐Arranz J.A.、Herrera Alejandro、Alonso Rafael、Rull Fernando、B?ttger Ute、Cho Yuichiro、Schr?der Susanne、H?bers Heinz‐Wilhelm
  • Journal Title: Journal of Raman Spectroscopy Volume: 54 Issue: 11 Pages: 1268-1279
  • DOI: 10.1002/jrs.6569
• [Journal Article] In-situ measurement of hydrogen on airless planetary bodies using laser-induced breakdown spectroscopy (2023)
  • Author(s): Yumoto Koki、Cho Yuichiro、Kameda Shingo、Kasahara Satoshi、Sugita Seiji
  • Journal Title: Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy Volume: － Pages: 106696-106696
  • DOI: 10.1016/j.sab.2023.106696
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Systematic comparison of the hydration and dehydration of Na+-, K+-, and NH4+-saturated montmorillonite, nontronite, hectorite, saponite, and Fe-saponite by in situ X-ray diffraction measurements (2023)
  • Author(s): Morida Koki、Fukushi Keisuke、Sakuma Hiroshi、Tamura Kenji
  • Journal Title: Applied Clay Science Volume: 237 Pages: 106898-106898
  • DOI: 10.1016/j.clay.2023.106898
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Seasonal Variation and Vertical Distribution of Inorganic Nutrients in a Small Artificial Lake, Lake Bulan, in Mongolia (2022)
  • Author(s): Baterdene Ariunsanaa、Nagao Seiya、Zorigt Baasanjav、Ochir Altansukh、Fukushi Keisuke、Davaasuren Davaadorj、Gankhurel Baasansuren、Munkhsuld Enkhuur、Tsetsgee Solongo、Yunden Ariuntungalag
  • Journal Title: Water Volume: 14 Issue: 12 Pages: 1916-1916
  • DOI: 10.3390/w14121916
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of groundwater chemistry beneath Gale Crater on early Mars by hydrothermal experiments (2022)
  • Author(s): Noda Natsumi、Sekine Yasuhito、Tan Shuya、Kikuchi Sakiko、Shibuya Takazo、Kurisu Minako、Takahashi Yoshio、Fukushi Keisuke、Rampe Elizabeth B.
  • Journal Title: Icarus Volume: 386 Pages: 115149-115149
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115149
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Arsenic and uranium contamination of Orog Lake in the Valley of Gobi Lakes, Mongolia: Field evidence of conservative accumulation of U in an alkaline, closed-basin lake during evaporation (2022)
  • Author(s): Gankhurel Baasansuren、Fukushi Keisuke、Davaasuren Davaadorj、Imai Eigo、Kitajima Takuma、Udaanjargal Uyangaa、Gerelmaa Tuvshin、Sekine Yasuhito、Takahashi Yoshio、Hasebe Noriko
  • Journal Title: Journal of Hazardous Materials Volume: 436 Pages: 129017-129017
  • DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.129017
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Recognition and classification of Martian chaos terrains using imagery machine learning: A global distribution of chaos linked to groundwater circulation, catastrophic flooding, and magmatism on Mars (2022)
  • Author(s): Shozaki, H., Y. Sekine, N. Guttenberg, G. Komatsu
  • Journal Title: Remote Sensing Volume: 14, 3883 Issue: 16 Pages: 1-32
  • DOI: 10.3390/rs14163883
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reconstruction of pH, redox condition, and concentrations of major components in ancient liquid water from the Karasburg member, Murray formation, Gale Crater, Mars (2022)
  • Author(s): Fukushi Keisuke、Sekine Yasuhito、Rampe Elizabeth B.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 325 Pages: 129-151
  • DOI: 10.1016/j.gca.2022.02.005
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthesis of Ferrian and Ferro-Saponites: Implications for the structure of (Fe,Mg)-smectites synthesized in reduced conditions (2021)
  • Author(s): H. Sakuma, K. Morida, Y. Takahashi, K. Fukushi, N. Noda, Y. Sekine, K. Tamura,
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: in press Issue: 10 Pages: 1926-1935
  • DOI: 10.2138/am-2022-8231
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Parameterization of adsorption onto minerals by Extended Triple Layer Model (2021)
  • Author(s): Fukushi Keisuke、Okuyama Akihiro、Takeda Natsumi、Kosugi Shigeyori
  • Journal Title: Applied Geochemistry Volume: 134 Pages: 105087-105087
  • DOI: 10.1016/j.apgeochem.2021.105087
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anaerobic Microscopic Analysis of Ferrous Saponite and Its Sensitivity to Oxidation by Earth’s Air: Lessons Learned for Analysis of Returned Samples from Mars and Carbonaceous Asteroids (2021)
  • Author(s): Noda Natsumi、Yamashita Shohei、Takahashi Yoshio、Matsumoto Megumi、Enokido Yuma、Amano Kana、Kawai Takahiro、Sakuma Hiroshi、Fukushi Keisuke、Sekine Yasuhito、Nakamura Tomoki
  • Journal Title: Minerals Volume: 11 Issue: 11 Pages: 1244-1244
  • DOI: 10.3390/min11111244
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An experimental study of photo-oxidation of Fe(II): Implications for the formation of Fe(III) (hydro)oxides on early Mars and Earth (2021)
  • Author(s): Tabata, H., Sekine, Y., Kanzaki, Y., Sugita, S.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 299 Pages: 35-51
  • DOI: 10.1016/j.gca.2021.02.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 火星のヘマタイト・ゲーサイト問題：塩溶液中におけるフェリハイドライトから結晶性鉄酸化物への変質挙動 (2023)
  • Author(s): 深谷 創・福士 圭介・高橋 嘉夫
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Hematite-Goethite Problem on Mars: Transformation of Ferrihydrite to Crystalline Fe Oxides in Salt Solutions (2023)
  • Author(s): Fukaya, S., Fukushi, K. and Takahashi, Y.
  • Organizer: Water-Rock Interaction WRI-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 火星のヘマタイト・ゲーサイト問題：塩溶液中におけるフェリハイドライトから結晶性鉄酸化物への変質挙動 (2023)
  • Author(s): 深谷 創・福士 圭介・高橋 嘉夫
  • Organizer: 日本鉱物科学会2023年年会
• [Presentation] 炭酸カルシウム1/2水和物を実験的に見積った溶解度に基づきアルカリ湖に探す (2023)
  • Author(s): 北島 卓磨・酢山 真衣・福士 圭介・ガンフレル バーサンスレン・ダバドルジ ダバースレン
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Finding Calcium Carbonate Hemihydrate in Alkaline Lakes Using the Experimentally Estimated Solubility (2023)
  • Author(s): Kitajima, T., Suyama, M., Fukushi, K. Gankhurel, B. and Davaasuren, D.
  • Organizer: Water-Rock Interaction WRI-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スメクタイト層間陽イオン交換選択係数の測定と分光学的キャラクタリゼーション (2023)
  • Author(s): 野路 陽平・福士 圭介・長 勇一郎・田畑 陽久
  • Organizer: 日本鉱物科学会2023年年会
• [Presentation] マンガン酸化物へのモリブデン吸着に伴う同位体分別の精密評価 (2023)
  • Author(s): 奥山 晃浩・柏原 輝彦・福士 圭介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Molybdenum Isotopic Fractionation Associated with Adsorption on Three Different Manganese Oxide Minerals (2023)
  • Author(s): Okuyama, A., Fukushi, K. and Kashiwabara, T.
  • Organizer: Water-Rock Interaction WRI-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] δ-MnO2、バーネサイトおよびトドロカイトへの吸着によるモリブデン同位体分別の比較 (2023)
  • Author(s): 奥山 晃浩・柏原 輝彦・福士 圭介
  • Organizer: 日本地球化学会第70回年会
• [Presentation] Mars landing missions by Japan: Its strategy and sciences (2023)
  • Author(s): 関根 康人・臼井 寛裕・長谷川 精・関 華奈子・福士 圭介・藤田 和央・山田 和彦・鈴木 宏二郎・永田 靖典・佐伯 孝尚・吉光 徹雄・森 治・山崎 敦
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Nanosecond time-gated Raman spectroscopy of clay minerals for the reconstruction of water chemistry on early Mars (2023)
  • Author(s): 田畑 陽久・長 勇一郎・湯本 航生・森 晶輝・日向 輝・杉田 精司・関根 康人・松木 篤・福士 圭介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Formation condition of CaCO31/2H2O: Implication for water chemistry of alkaline lakes (2022)
  • Author(s): Fukushi, K. and Suyama, M.
  • Organizer: IMA2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非晶質マグネシウム炭酸塩の溶解度：火星表層におけるマグネシウム炭酸塩の希少性 (2022)
  • Author(s): 北島卓磨・福士圭介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Arsenic and uranium contamination in Orog lake in the Valley of the Gobi lakes, Mongolia: Field evidence of conservative accumulation of U in an alkaline, closed-basin lake during evaporation (2022)
  • Author(s): Gankhurel, B., Fukushi, K., Davaasuren, D., Imai, E., Kitajima, T., Udaanjargal, U., Gerelmaa, T., Sekine Y., Takahashi, Y. and Hasebe, N.
  • Organizer: AGU annual meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solubility of Amorphous Magnesium Carbonate (2022)
  • Author(s): Kitajima, T. and Fukushi, K.
  • Organizer: IMA2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スメクタイト層間主要陽イオンの分光学的キャラクタリゼーション (2022)
  • Author(s): 野路陽平・福士圭介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] スメクタイト層間主要陽イオンの分光学的キャラクタリゼーション (2022)
  • Author(s): 野路陽平・福士圭介・徳門弘都
  • Organizer: 日本鉱物科学会2022年年会
• [Presentation] 東南極昭和基地周辺露岩域の火星アナログサイトとしての利用可能性評価 (2022)
  • Author(s): 野口里奈・臼井寛裕・庄司大悟・福士圭介・依田優大・三平舜
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] サポナイトによるアンモニウム取り込み挙動 (2022)
  • Author(s): 徳門弘都・福士圭介・関根康人
  • Organizer: 日本鉱物科学会2022年年会
• [Presentation] 2:1型層状ケイ酸塩の構造中の鉄による酸化還元反応: 環境中の電池としての役割 (2022)
  • Author(s): 高橋嘉夫・ 清水優希・河合敬宏・蓬田匠・竹田早英桂・板井啓明・田中啓資・孫静・福士圭介・田中雅人
  • Organizer: 2022年度日本地球化学会第69回年会
• [Presentation] 火星ゲールクレータ湖沼堆積物の間隙水水質復元：Murray 層 Quela サイトへの適用 (2021)
  • Author(s): 福士圭介・関根 康人・Rampe, E.B.
  • Organizer: 日本地球化学会第68回年会, オンライン
• [Presentation] Reconstruction of water chemistry in ancient liquid water from the Murray formation, Gale Crater, Mars (2021)
  • Author(s): Fukushi, K., Sekine, Y., and Rampe, E.B.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2021, オンライン
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非晶質マグネシウム炭酸塩の溶解度：初期火星の閉塞湖におけるMg炭酸塩の希少性. (2021)
  • Author(s): 北島卓磨・福士圭介・関根康人・依田優大・ガンフレル バーサンスレン・ダバースレン ダバードルジ
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会，オンライン
• [Presentation] 低温条件における非晶質マグネシウム炭酸塩の溶解度 (2021)
  • Author(s): 北島卓磨・福士圭介・関根康人・依田優大・ガンフレル バーサンスレン・ダバースレン ダバードルジ・高橋嘉夫
  • Organizer: 日本鉱物科学会2021年年会, オンライン
• [Presentation] Solubility of amorphous magnesium carbonate: Implication for Mg-carbonate formation on Early Mars. (2021)
  • Author(s): Kitajima, T., Fukushi, T., and Sekine, Y.,
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2021, オンライン
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サポナイト層間における陽イオン交換選択係数の測定 (2021)
  • Author(s): 野路陽平・福士圭介・徳門弘都
  • Organizer: 日本鉱物科学会2021年年会, オンライン
• [Presentation] 鉄サポナイトの合成と酸化・還元の可逆性 (2021)
  • Author(s): 佐久間博・森田康暉・福士圭介・高橋嘉夫・野田夏実・関根康人・田村堅志
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会，オンライン
• [Presentation] Field investigations on salt partitioning in frozen closed-basin lakes in Mongolia as terrestrial analogues of subsurface brine reservoirs on Solar System icy bodies (2021)
  • Author(s): 依田優大・関根康人・福士圭介・北島卓磨・Gankhurel, B.・Davaasuren, D.・Gerelmaa, T.・Ganbat, S.・庄司大悟・高橋嘉夫
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会, オンライン