| Project/Area Number |
22KF0281
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| Project/Area Number (Other) |
22F22020 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 外国 |
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| Review Section |
Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
土屋 卓久 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70403863)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
HUANG SHENGXUAN 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
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| Keywords | 核－マントル相互作用 / 窒素の親鉄性 / 失われた窒素問題 / 地球の揮発性元素進化 / 第一原理自由エネルギー計算 / 熱力学積分法 / 核－マントル間の窒素分配 / 地球外核の化学組成 |
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| Outline of Research at the Start |
地球外核は鉄を主成分とし約10重量％の軽元素を含む液体金属であることが分かっているが、軽元素の量や種類の詳細は現在でも未解明のままである。これらの軽元素は、原始地球に存在したマグマ・オーシャン中において核が形成される際に核に溶解したと考えられるため、その種類や量を特定することは、地球核の形成メカニズムの解明につながる。窒素は地球大気の主成分元素であるが、地球全体でみれば太陽系における平均存在度よりも枯渇していることが分かっており、窒素が核に溶け込んだとすればこの問題を説明できる。本研究では、実験困難な高温高圧下における窒素の液体鉄-熔融ケイ酸塩間分配を独自の第一原理計算手法を用いて予測する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、地球深部の高温高圧条件下での液体鉄－熔融ケイ酸塩間における窒素の分配特性を明らかにすることを目的として、独自開発した第一原理熱力学積分分子動力学法（AI-TI-MD法, Taniuchi and Tsuchiya, 2018）を用いて、窒素の分配係数に対する温度・圧力・酸素雰囲気の効果や、N2およびNH3といった窒素の化学種の相違による影響について解明する。本年度は上記に関し、地球浅部の5万気圧、マントル遷移層に相当する20万気圧、下部マントル中部に相当する60万気圧、地球の核－マントル境界に相当する135万気圧の4つの圧力において計算を実施した。その結果、N2、NH3のいずれの化学種も親鉄的な挙動を示すこと、またN2、NH3の順に親鉄性が減少すること、これらの親鉄性は圧力増加により増加し、温度上昇により減少することが分かった。得られた分配係数の値は5万気圧程度の低圧下において、測定された実験結果とよく一致した。また、熔融ケイ酸塩について鉄を含まない還元的な組成と鉄を含む酸化的な組成の2通りで計算を行った結果、還元的な場合において窒素はより親鉄的となることが分かった。得られた窒素の分配係数を用いて原始地球の成長過程に伴う核、マントル、大気中の窒素量の進化をモデル化した結果、現在の地球マントルでみられる窒素の枯渇は中心核への吸収により説明可能であること、始原的なコンドライト隕石に比べて大きな現在のマントルのC/N比は、比較的高い圧力において液体鉄と熔融ケイ酸塩が平衡に達した場合に実現することが分かった。このことから窒素を含む揮発性元素の原始地球への供給は原始地球の成長後期に行われたこと、その際にマントルの全体から半分程度の深さまでに至る大規模なマグマオーシャンが存在していたこと等が推測される。これらの成果を論文としてまとめ、国際誌に投稿した。
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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
第一原理熱力学積分分子動力学計算法（AI-TI-MD, Taniuchi and Tsuchiya, 2018）を、窒素の液体鉄－熔融ケイ酸塩間分配に適用し、複数の温度圧力条件においてN2及びNH3の異なる化学種に対して分配係数を計算することができた。また得られた窒素の分配係数に基づき、実験では精度良く求めることが困難な超高温超高圧下での液体鉄－熔融ケイ酸塩間における窒素の分配特性に対する温度・圧力・組成の効果についてモデル化を行うことができた。この液体鉄－熔融ケイ酸塩間における窒素分配の第一原理モデルに基づき、原始地球の成長に伴うマントル及び核中の窒素濃度進化について、揮発性元素の供給タイミングやマグマオーシャンの規模などの条件を変えながら推定を行うことができた。さらに得られた知見を総括し論文にまとめ国際誌に投稿することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、これまでに行った計算を発展させ、より複雑かつ現実的な組成における窒素の分配挙動について調査を進める。特に前年度までに行った液体鉄に酸素を加えた場合の計算に引き続き、液体鉄に炭素、硫黄、珪素、水素を加えた計算を行い、核中の軽元素が窒素の分配に与える影響をより詳しく解明する。10GPa以下の圧力範囲においては、核中に炭素が含まれている場合は窒素の親鉄性が減少、硫黄や珪素が含まれている場合は増加することが、実験的に示されている。同様の挙動が第一原理的にも再現できるか確認するとともに、より高い温度圧力条件での計算も実行する。次に熔融ケイ酸塩にアルミニウムやカルシウムを加えてより現実的かつ複雑なマグマ・オーシャンの化学組成を設定し窒素分配に与える影響を調べる。また、最近実験的に報告された熔融ケイ酸塩中での鉄の電荷不均化反応にも着目し、この反応に与える窒素の効果についての計算へと研究を拡張する。液体中の窒素原子周りの局所原子構造や電子状態を解析することにより、様々な組成条件における挙動の相違を原子・電子レベルから解釈するとともに、これを通じて窒素の分配機構の解明を行う。これらが終了したのち、温度・圧力・組成をパラメータとした液体鉄－熔融ケイ酸塩間における窒素分配モデルの高精度化を行う。さらに得られたモデルを用い、原始地球の形成・成長に伴う核・マントル中の窒素及び他軽元素濃度進化の推定化及び地球内部における軽元素循環について考察する。
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