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蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界における非生物的炭化水素合成に関する実験的研究

Research Project

Project/Area Number 22H00181
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
Research InstitutionJapan Agency for Marine-Earth Science and Technology

Principal Investigator

渋谷 岳造  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究開発プログラム), 主任研究員 (00512906)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 須田 好  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 地質調査総合センター, 研究員 (00792756)
眞壁 明子  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究開発プログラム), 准研究副主任 (90752618)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000)
Fiscal Year 2025: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000)
Fiscal Year 2024: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
Keywords炭化水素合成 / 蛇紋岩 / 熱水系 / 高温高圧実験
Outline of Research at the Start

1960年代の報告以来、蛇紋岩熱水系で発生する熱水は、非生物的に合成されたメタンなどの炭化水素を特異的に含んでいることが知られるようになった。しかし、現在の観測データを説明する化学反応とその地質プロセスについて未だ議論が収束していない。そこで本研究では、これまで考えられてこなかった蛇紋岩熱水系深部と無水マントルの境界における化学反応に着目し、新たな作業仮説に基づいて再現実験を行う。そして、実験的に検証された「蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界における炭化水素合成モデル」を構築する。この研究は、極限環境微生物学、惑星科学、エネルギー開発など、異分野への波及効果が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、蛇紋岩熱水系における非生物的炭化水素合成反応の物理化学条件依存性(温度・圧力・初期流体組成・触媒組成)とそれを駆動する触媒生成メカニズムを明らかにし、実験的に検証された「蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界における炭化水素合成モデル」を構築することを目的としている。
令和5年度は、蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界を模した高温高圧水-岩石反応実験を継続して行った。渋谷(代表)は、Fe-Ni合金によって駆動される非生物的炭化水素合成反応の温度依存性を検証するために行っている300℃と425℃(いずれも500気圧)の実験を継続し、随時溶液のサンプリングおよび化学分析を行った。また、天然のかんらん石を用いた実験についても同様に継続した。須田(分担)は、産業技術総合研究所の同位体ラベル試料専用のラボにて、水-岩石反応実験で得られた溶液試料の溶存有機酸分析を行い実験で発生した有機酸の炭素同位体ラベル率を決定した。眞壁(分担)は、水-岩石反応実験で得られる溶液試料の溶存ガス及び揮発性有機物分析を行い、実験で発生したメタン等揮発性有機物の炭素同位体ラベル率を決定した。
以上の結果、天然のかんらん石を用いた実験では、実験開始後8ヶ月で同位体比分析が可能な量のメタンや有機酸の発生が確認された。この現象について、メタン等の発生のタイミングや発生速度、炭素同位体ラベル率など、詳細な分析と解析を行った結果、メタン等の発生はコンタミネーションの影響ではなく非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成反応によるものであることがわかった。このことは天然の蛇紋岩熱水系において、非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成が起きうることを強く示唆している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和5年度は、当初の想定を超えて、かんらん石を用いた実験においてメタンや有機酸などが発生した。メタン等の発生するタイミングや速度がコンタミネーションであるとは考えにくかったため、詳細な分析を行う必要が生じた。このため、当初予定していた、炭化水素合成反応の圧力依存性、触媒組成依存性を明らかにする実験を先送りし、かんらん石を用いた実験で発生したメタンや有機酸の同位体比分析、熱力学的解析等を主に進めた。その結果、発生したメタンはコンタミネーションではなく、二酸化炭素還元炭化水素合成反応によるものであることが判明した。先送りした実験があるものの、本研究課題において大幅な進捗があったことから、全体の進捗状況を「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

先送りした非生物的炭化水素合成反応の圧力依存性、触媒組成依存性を明らかにする実験を開始する。一方、初期物質にFe-Ni触媒を含んでいないにもかかわらず天然のかんらん石を用いた実験では非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成反応が進み始めた。したがって、次年度以降はこの実験を継続して行うとともに、初期条件をわずかに変えた実験を行う。これにより、本研究で得られた非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成反応のデータの再現性を確認するとともに、反応のメカニズムに制約を与える。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (41 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 12 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Experimental Hydrothermal Alteration of Rhyolite and Andesite at 325° C and 300 Bar: Implications for a Potential Role of Volcanic Glass in the Fluid Composition in the Okinawa Trough2024

    • Author(s)
      Saitoh, M., Shibuya, T., Saito, T., Torimoto, J., Ueda, H., Sato, T., & Suzuki, K.
    • Journal Title

      Minerals

      Volume: 14 Issue: 3 Pages: 259-259

    • DOI

      10.3390/min14030259

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] In situ gold adsorption experiment at an acidic hot spring using a blue-green algal sheet2024

    • Author(s)
      Nozaki Tatsuo、Fukushima Yasuyuki、Okada Satoshi、Takaya Yutaro、Makabe Akiko、Watanabe Masayuki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 5739-5739

    • DOI

      10.1038/s41598-024-56263-3

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Aqueous alteration in icy planetesimals: The effect of outward transport of gaseous hydrogen2024

    • Author(s)
      Shibuya Takazo、Sekine Yasuhito、Kikuchi Sakiko、Kurokawa Hiroyuki、Fukushi Keisuke、Nakamura Tomoki、Watanabe Sei-ichiro
    • Journal Title

      Geochimica et Cosmochimica Acta

      Volume: - Pages: 264-283

    • DOI

      10.1016/j.gca.2024.03.022

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Experimental synthesis of Fe-bearing olivine at near-solidus temperatures and its decomposition during longtime heating2023

    • Author(s)
      HIRAKAWA Naoki、KEBUKAWA Yoko、SHIBUYA Takazo、UEDA Hisahiro、KOBAYASHI Kensei
    • Journal Title

      Journal of Mineralogical and Petrological Sciences

      Volume: 118 Issue: 1 Pages: n/a

    • DOI

      10.2465/jmps.220913

    • ISSN
      1345-6296, 1349-3825
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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Deep Subseafloor Biogeochemical Processes and Microbial Populations Potentially Associated with the 2011 Tohoku-oki Earthquake at the Japan Trench Accretionary Wedge (IODP Expedition 343)2023

    • Author(s)
      Kawagucci Shinsuke、Sakai Sanae、Tasumi Eiji、Hirai Miho、Takaki Yoshihiro、Nunoura Takuro、Saitoh Masafumi、Ueno Yuichiro、Yoshida Naohiro、Shibuya Takazo、Clifford Sample James、Okumura Tomoyo、Takai Ken
    • Journal Title

      Microbes and Environments

      Volume: 38 Issue: 2 Pages: n/a

    • DOI

      10.1264/jsme2.ME22108

    • ISSN
      1342-6311, 1347-4405
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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Detection of phosphates originating from Enceladus’s ocean2023

    • Author(s)
      Postberg Frank、Sekine Yasuhito、Klenner Fabian、Glein Christopher R.、Zou Zenghui、Abel Bernd、Furuya Kento、Hillier Jon K.、Khawaja Nozair、Kempf Sascha、Noelle Lenz、Saito Takuya、Schmidt Juergen、Shibuya Takazo、Srama Ralf、Tan Shuya
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 618 Issue: 7965 Pages: 489-493

    • DOI

      10.1038/s41586-023-05987-9

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] In Situ Measurement of Liquid and Gas CO<sub>2</sub> with High Purity at Deep-Sea Hydrothermal Vents in the Mariana Arc Using Raman Spectroscopy2023

    • Author(s)
      Takahashi Tomoko、Takahagi Wataru、Tasumi Eiji、Makabe Akiko、Taguchi Koudai、Thornton Blair、Takai Ken
    • Journal Title

      ACS Earth and Space Chemistry

      Volume: 7 Issue: 12 Pages: 2489-2497

    • DOI

      10.1021/acsearthspacechem.3c00224

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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Novel quantitative method for individual isotopomer of organic acids from 13C tracer experiments determines carbon flow in acetogenesis2023

    • Author(s)
      Suda Konomi、Sakamoto Sachiko、Iguchi Akira、Tamaki Hideyuki
    • Journal Title

      Talanta

      Volume: 257 Pages: 124328-124328

    • DOI

      10.1016/j.talanta.2023.124328

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      2022 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Mineralogical alteration of a type A CAI from Allende CV3 chondrite: Formation of secondary dmisteinbergite and its phase transition to anorthite2023

    • Author(s)
      Enokido, Y., Nakamura, T., Matsumoto M., Miyake, A., Shibuya, T., Park, C., Zolensky M. E.
    • Journal Title

      Meteoritics & Planetar Science

      Volume: 58 Issue: 3 Pages: 405-420

    • DOI

      10.1111/maps.13961

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Liquid and supercritical CO2 as an organic solvent in Hadean seafloor hydrothermal systems: implications for prebiotic chemical evolution2022

    • Author(s)
      Shibuya Takazo、Takai Ken
    • Journal Title

      Progress in Earth and Planetary Science

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 60-60

    • DOI

      10.1186/s40645-022-00510-6

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Characterization of groundwater chemistry beneath Gale Crater on early Mars by hydrothermal experiments2022

    • 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

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Heterogeneous nature of the carbonaceous chondrite breccia Aguas Zarcas Cosmochemical characterization and origin of new carbonaceous chondrite lithologies2022

    • Author(s)
      Kerraouch Imene、Kebukawa Yoko、Bischoff Addi、Zolensky Michael E.、Wolfer Elias、Hellmann Jan L.、Ito Motoo、King Ashley、Trieloff Mario、Takahashi Yoshio et al.
    • Journal Title

      Geochimica et Cosmochimica Acta

      Volume: 334 Pages: 155-186

    • DOI

      10.1016/j.gca.2022.07.010

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Polysulfide-assisted urea synthesis from carbon monoxide and ammonia in water2022

    • Author(s)
      Norio Kitadai, Satoshi Okada, Akiko Makabe, Eiji Tasumi, Masayuki Miyazaki
    • Journal Title

      PeerJ Organic Chemistry

      Volume: 4 Pages: e6-e6

    • DOI

      10.7717/peerj-ochem.6

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Bottom‐associated phytoplankton bloom and its expansion in the Arctic Ocean2022

    • Author(s)
      Shiozaki Takuhei、Fujiwara Amane、Sugie Koji、Nishino Shigeto、Makabe Akiko、Harada Naomi
    • Journal Title

      Global Change Biology

      Volume: 28 Issue: 24 Pages: 7286-7295

    • DOI

      10.1111/gcb.16421

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nitrogen Isotopes of Sinking Particles Reveal the Seasonal Transition of the Nitrogen Source for Phytoplankton2022

    • Author(s)
      Yoshikawa Chisato、Ogawa Nanako O.、Chikaraishi Yoshito、Makabe Akiko、Matsui Yohei、Sasai Yoshikazu、Wakita Masahide、Honda Makio C.、Mino Yoshihisa、Aita Maki N.、Fujiki Tetsuichi、Nunoura Takuro、Harada Naomi、Ohkouchi Naohiko
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 49 Issue: 17

    • DOI

      10.1029/2022gl098670

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      2022 Annual Research Report
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  • [Presentation] 生命の起源 「海底熱水 液体/超臨界CO2仮説」2023

    • Author(s)
      渋谷 岳造
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      海中海底工学フォーラム・ZORO Hybrid
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      田口 宏大、上野 雄一郎、ジルベルト アレキシー、渋谷 岳造、川口 慎介
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    • Author(s)
      水上 勇佑、丹 秀也、関根 康人、渋谷 岳造、齋藤 拓也、高橋 嘉夫
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    • Author(s)
      丹 秀也、関根 康人、渋谷 岳造、齋藤 拓也
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      日本地球惑星科学連合2023年大会
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      2023 Annual Research Report
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  • [Presentation] 13Cトレーサー実験における有機酸の同位体異性体ごとの新しい定量法2023

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      渋谷 岳造
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    • Author(s)
      上田 修裕、渋谷 岳造、松井 洋平
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2023年大会日本地球化学会 第70回年会
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    • Author(s)
      丹 秀也、関根 康人、渋谷 岳造
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      日本地球化学会 第70回年会
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  • [Presentation] Environmental changes in the Arctic over the past 10 Myr based on Os isotope stratigraphy and chemical composition of ferromanganese crusts2023

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      Konstantinova, N., Suzuki, K., Chang, Q., Makabe, A., Hein, R. J., Brekke, H., and Skolotnev, S.
    • Organizer
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  • [Presentation] Primary magnetic remanence from c. 3.47 Ga chert clasts from the Pilbara craton, Western Australia2023

    • Author(s)
      Usui, Y., Shibuya, T., Tani, K., Saitoh, M., Nishizawa, M., Okumura, T., Kashiwabara, T., Onoue, T., and Sato, H.
    • Organizer
      6th International Archean Symposium
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  • [Presentation] Detection of phosphate in Enceladus’ ocean with implications for geochemistry and habitability in the outer solar system2023

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      Frank Postberg, Yasuhito Sekine, Fabian Klenner, Christopher R. Glein, Zenghui Zou, Bernd Abel, Kento Furuya, Jonathan K. Hillier, Nozair Khawaja, Sascha Kempf, Lenz Noelle, Takuya Saito, Jurgen Schmidt, Takazo Shibuya, Ralf Srama, and Shuya Tan
    • Organizer
      EGU General Assembly 2023
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  • [Presentation] Investigations for availability of trace elements in ocean of Enceladus through hydrothermal experiments and geochemical modeling2023

    • Author(s)
      Shuya Tan, Yasushito Sekine, Takazo Shibuya
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      WaterRock Interaction(WRI17)/ Applied Isotope Geochemistry AIG14
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      Yusuke Mizukami, Shuya Tan, Yasuhito Sekine, Takazo Shibuya, Takuya Saito, Yoshio Takahashi
    • Organizer
      WaterRock Interaction(WRI17)/ Applied Isotope Geochemistry AIG14
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  • [Presentation] Detection of Phosphate in Enceladus' Ocean: Its Implications for Geochemistry and Habitability2022

    • Author(s)
      Yasuhito Sekine, Frank Postberg, Fabian Klenner, Christopher R Glein, Zenghui Zou, Bernd Abel, Jon Hillier, Nozair Khawaja, Sascha Kempf, Lenz Nolle, Takuya Saito, Juergen Schmidt, Takazo Shibuya, Ralf Srama and Shuya Tan
    • Organizer
      AGU Fall Meeting 2022
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      Hisahiro Ueda, and Takazo Shibuya
    • Organizer
      AGU Fall Meeting 2022
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      関根康人、フランク・ポストバーグ、丹秀也、渋谷岳造、齋藤拓也
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      日本惑星科学会2022年秋季講演会
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      深海 雄介、柏原 輝彦、天川 裕史、渋谷 岳造、臼井 朗、鈴木 勝彦
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      上田 修裕、渋谷 岳造、松井 洋平
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      沢田 輝、上田 修裕、渋谷 岳造
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      丹 秀也、関根 康人、古谷 健人、渋谷 岳造
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  • [Remarks] 生命の起源を解く重要なヒントとなる「海底熱水-液体/超臨界CO2仮説」の提唱

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      https://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20221116/

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      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2025-04-17  

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