| Project/Area Number |
21H04968
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
廣瀬 敬 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50270921)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
太田 健二 東京科学大学, 理学院, 准教授 (20727218)
坂本 直哉 北海道大学, 総合イノベーション創発機構, 准教授 (30466429)
梅本 幸一郎 東京科学大学, 地球生命研究所, 研究員 (60726991)
圦本 尚義 北海道大学, 理学研究院, 教授 (80191485)
Alfred Baron 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, グループディレクター (90442920)
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| Project Period (FY) |
2021-05-18 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥628,810,000 (Direct Cost: ¥483,700,000、Indirect Cost: ¥145,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥69,160,000 (Direct Cost: ¥53,200,000、Indirect Cost: ¥15,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥67,210,000 (Direct Cost: ¥51,700,000、Indirect Cost: ¥15,510,000)
Fiscal Year 2023: ¥69,160,000 (Direct Cost: ¥53,200,000、Indirect Cost: ¥15,960,000)
Fiscal Year 2022: ¥261,820,000 (Direct Cost: ¥201,400,000、Indirect Cost: ¥60,420,000)
Fiscal Year 2021: ¥161,460,000 (Direct Cost: ¥124,200,000、Indirect Cost: ¥37,260,000)
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| Keywords | コア / 軽元素 / 鉄合金 / 超高圧 / ダイヤモンドセル |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、主に高圧実験によって、地球コアの高圧高温下での鉄合金の特性を明らかにし、コアの軽元素組成を制約する。コアは鉄を主成分とし、少量のニッケルと、多量の軽元素（硫黄・ケイ素・酸素・炭素・水素）を含むとされる。本研究では、これら５つの軽元素を含む、液体と固体の鉄合金の密度・地震波伝播速度・状態図・分配をコアの圧力下で決定する。それらを観測と比較し、８つの独立な制約を使って、コアの５つの軽元素組成を得る。それは、現在のコアの状態だけでなく、そのダイナミクスと地球磁場形成、地球全体の化学組成、地球集積・コア形成プロセスなどの理解に向けて大きな意味を持つ。
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度は、まず液体鉄合金の状態図に関して、Fe-FeS系の硫黄に富む領域のリキダス相関係を明らかにした。これにより火星に内核が存在する場合の、コア組成の見積もりや地球コア組成との比較が可能になりつつある。また、地球コアの圧力温度条件下で、液体鉄合金の組成と電気伝導度・熱伝導度との関係を明らかにし、熱対流が起きる条件を考察した。さらに、Fe-FeO系のサブソリダスと融解曲線を230万気圧まで決定し、近年提唱されたFe2Oの組成を有する中間化合物が熱力学的に安定な条件では存在しないことを見出した。内核条件下での第一原理計算については、693種類もの異なる組成の鉄合金のバルク音速の圧力依存性がどれも、リファレンスとして広く用いられている地震波モデルの深さ方向の変化よりもかなり大きいことを見つけ、内核に大きな組成勾配がある、もしくは地震波モデルが正しくないことを示した。液体金属から固体鉄への軽元素の分配については、液体中のケイ素・硫黄・炭素に加え、水素も含めた４つの相互作用を取り入れた元素分配モデルを完成しつつある。コア-マントル間の水素と炭素の相互作用を含めた分配モデルと、地球の安定同位体比を説明する地球集積モデルを組み合わせ、地球コアさらには地球全体の水素・炭素量を見積もることができた。さらには、地球の水と炭素をもたらした材料物質は、主に炭素質コンドライト的な物質と考えられてきたが、今回の結果は非炭素質コンドライト的な物質が最大でおよそ半分程度を占めることも明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
地球コアの組成を推定するのに、地震学的な構造モデルと鉄合金の高圧実験・理論計算データの比較が重要となる。これまで、PREMやak135モデルがそのような目的で広く使われてきた。しかしながら、内核の地震学的観測データは限られており、それらのモデルの信頼度もよくわかっていない。そこで今回、内核の高圧高温条件下での第一原理計算によって、Fe-Ni-Si-S-H系の極めて幅広い693種類もの異なる組成の鉄合金のバルク音速を得たところ、上記の地震学的一次元構造モデルの内核の密度プロファイルの傾き（深さ方向の変化）とはどの組成ほぼ一致するのに対し、バルク音速の傾きはどの組成でも説明できないことがわかった。我々の計算と観測の不一致を化学組成勾配で説明するにはかなり無理があり、これはPREMやak135モデルが正確ではないことを強く示唆している。このようなリファレンスモデルの正確性を疑問視する研究はこれまでほとんどなく、極めて重要な指摘と言える。同時に、リファレンスモデルの横波速度が純鉄に比べて格段に遅いことが、内核中の軽元素の種類や量を強く制約すると考えられてきたが、そのような議論にも注意する必要があることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは北大における極低温下の二次イオン質量分析法と、大型放射光施設SPring-8におけるX線回折測定により、Fe-S-H系とFe-C-H系のリキダス相関係の決定を地球コアに相当する高圧下まで伸ばすことが重要である。これにより、外核組成を制約する固体鉄のリキダス相領域と、その外核組成から内核組成を計算するための液体金属から固体鉄への分配係数を明らかにすることができる。硫黄と水素、炭素と水素は、共に、強い相互作用が知られている。この場合、互いの存在により、液体金属-固体鉄（外核-内核）間の分配係数が大きく変化すると予想される。またこれまで調べられていない、ニッケルの外核-内核間の分配に対する軽元素の効果も明らかにする。これらにより、内核組成を使ったコア全体組成の制約がさらに進む。進捗状況の項に記した、内核の横波速度に関する地震学的な構造モデルの不確定性に関して、代わりに計算で得られたバルク音速と観測される縦波速度から横波速度を計算し、それをコア組成の制約に活かす。また、ケイ素・酸素・硫黄・炭素・水素の５つすべてのコアの有力な軽元素を含む場合の、コア-マントル間の元素分配実験をさらに進める。これにより、初期コア組成を推定する他、実験から推定される地球の原材料物質と始原的隕石の組成の比較から、地球の硫黄・炭素・水素（水）という揮発性の高い元素（成分）の由来を明らかにする。これらから、地球コア組成をさらに制約できる。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment
A+: 想定を超える研究の進展があり、期待以上の成果が見込まれる
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