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地球核形成における窒素同位体分別過程の実験的解明

Research Project

Project/Area Number 22KJ2359
Project/Area Number (Other) 21J00653 (2021-2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022)
Section国内
Review Section Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
Research InstitutionEhime University

Principal Investigator

福山 鴻  愛媛大学, 愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター, 研究員

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords窒素同位体分別 / 地球核形成 / 超高温高圧実験 / マルチアンビル高圧発生装置 / 酸窒化物 / 窒素同位体分別効果 / 二次イオン質量分析法 / 窒素同位体 / マグマオーシャン
Outline of Research at the Start

イットリウムが付加された単結晶ジルコニア基板で作成した試料カプセルを用いて引き続き高温高圧実験を行いつつ、試料との反応の影響を検証する。高分解能SIMSによる窒素同位体分析を行うにあたり、フランスのCRPGと打ち合わせを行っており、今後はCRPGと共同研究を行っていく予定である。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の最終年度では、高融点を持つイットリウム付加単結晶ジルコニア基板で作成した試料カプセルを新たに考案しつつ、初年度に確立した超高温高圧実験手法を駆使することによって、シリケイトメルトと金属鉄メルト間での窒素同位体分別係数を決定することを目標とした。試料カプセルとして選定したジルコニア基板だが、ジルコニウムはシリコンと同様に四価の陽イオンになるため、MgO単結晶基板とは異なりシリケイトメルト中で非架橋酸素を生成せず、溶融ケイ酸塩メルトをガラスとして急冷回収しやすいことも期待した。
一方で、本研究課題と並行して推進していた若手研究 (22K14123)では、金属鉄が存在するような還元的条件下で安定に存在するアンモニア (e.g., Li and Keppler, 2014)とferropericlase (化学組成: (Mg, Fe)O)といった酸化物が反応し、酸窒化物が生成されることが極めて強く示唆された。このような高温下における酸化物とアンモニア流体の反応は、材料科学分野では既に広く知られているが (e.g., Ebbinghaus et al., 2009)、地球超深部条件で酸窒化物ができることを示した点で極めて重要な知見である。ただし同時に、窒素同位体分別を決定するうえで、ジルコニアのような酸化物でできた試料カプセルは窒素同位体分別を決定する上で適当ではないことも分かった。
結果として、地球核形成における窒素同位体分別に関する先行研究間での三者三様の違い (Dalou et al., 2019; Shi et al., 2022; Grewal wt al., 2022)の原因を直接制約するには至らなかった。しかしながら、Dalou et al. (2019)だけは試料カプセルに酸化物ではなくグラファイトを用いており、正確なデータが得られていることを示唆できた。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] CRPG/ロレーヌ大学(フランス)

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  • [Journal Article] Temperature dependence of nitrogen solubility in bridgmanite and evolution of nitrogen storage capacity in the lower mantle2023

    • Author(s)
      Fukuyama Ko、Kagi Hiroyuki、Inoue Toru、Kakizawa Sho、Shinmei Toru、Sano Yuji、Deligny C?cile、F?ri Evelyn
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 3537-3537

    • DOI

      10.1038/s41598-023-30556-5

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Behavior of light elements in iron-silicate-water-sulfur system during early Earth’s evolution2021

    • Author(s)
      Iizuka-Oku Riko, Gotou Hirotada, Shito Chikara, Fukuyama Ko, Mori Yuichiro, Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami, Funakoshi Ken-ichi, Kagi Hiroyuki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 12632-12632

    • DOI

      10.1038/s41598-021-91801-3

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Revaluation of nitrogen storage capacity in the lower mantle by ferropericlase forming solid solution with iron oxynitride2024

    • Author(s)
      Ko Fukuyama, Hiroyuki Kagi, Toru Shinmei, Naoto Takahata, Tetsuo Irifune
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2024年大会
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Unconventional high-pressure behaviors of hydrogen bonds in brucite caused by F substitution2024

    • Author(s)
      Xuejing He, Hiroyuki Kagi, Kazuki Komatsu, Asami Sano-Furukawa, Jun Abe, Ko Fukuyama, Toru Shinmei, Satoshi Nakano
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2024年大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ferropericlaseが鉄の酸窒化物と固溶体を形成する可能性と下部マントルにおける窒素最大貯蔵量の再評価2023

    • Author(s)
      福山鴻
    • Organizer
      第10回愛媛大学先進超高圧科学研究拠点(PRIUS)シンポジウム
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      2023 Annual Research Report
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    • Author(s)
      Xuejing He, 鍵裕之,小松一生,佐野亜沙美,阿部淳,福山鴻,新名亨
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2023年大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Temperature dependence of nitrogen solubility in bridgmanite: Evolution of the nitrogen storage capacity of the lower mantle2023

    • Author(s)
      Ko Fukuyama, Hiroyuki Kagi, Toru Inoue, Sho Kakizawa, Toru Shinmei, Yuji Sano, Cecile Deligny, Evelyn Furi
    • Organizer
      5th International Seminar “High-Pressure Mineralogy: Theory and Experiment”
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Xuejing He, Hiroyuki Kagi, Kazuki Komatsu, Asami Sano-Furukawa, Jun Abe, Ko Fukuyama, Toru Shinmei2023

    • Author(s)
      The hydrogen-bonding configuration of fluorine-doped brucite under high pressure
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      日本地球惑星科学連合2023年大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Effects of sulfur on the hydrogenation of iron in early Earth’s evolution2022

    • Author(s)
      Riko Iizuka-Oku, Hirotada Gotou, Chikara Shito, Ko Fukuyama, Yuichiro Mori, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa, Ken-ichi Funakoshi, Hiroyuki Kagi
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      2022 Goldschmidt Conference
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      2022 Annual Research Report
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  • [Presentation] Ultrahigh-temperature and high-prssure experiment for determination of nitrogen isotope fractionation during Earth's core2022

    • Author(s)
      福山鴻,入舩徹男
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2022年大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 地球コアにおける軽元素と水のふるまい:高温高圧中性子回折実験によるアプローチ2022

    • Author(s)
      飯塚理子、後藤弘匡、市東力、森悠一郎、福山鴻、服部高典、佐野亜沙美、舟越賢一、鍵裕之
    • Organizer
      2022年度日本地球化学会第69回年会
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      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Ultrahigh-temperature and high-pressure experiment for determination of nitrogen isotope fractionation during Earth's core formation2022

    • Author(s)
      Ko Fukuyama, Tetsuo Irifune
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2022年大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Effects of sulfur on the hydrogenation of iron in early Earth’s evolution2022

    • Author(s)
      Riko Iizuka-Oku, Hiroyuki Kagi, Hirotada Gotou, Chikara Chito, Yuichiro Mori, Ko Fukuyama, Takanori Hattori, Aasami Sano-Furukawa, Ken-ichi Funakoshi
    • Organizer
      Goldschmidt Conference 2022
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Increase of nitrogen solubility in ferropericlase and bridgmanite by iron incorporation under lower-mantle conditions2021

    • Author(s)
      Ko Fukuyama, Hiroyuki Kagi, Toru Inoue, Sho Kakizawa, Toru Shinmei, Yuji Sano, Naoto Takahata, Shunichi Hishita, Cecile Deligny, Evelyn Furi
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2021年大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 下部マントル主要鉱物及びstishoviteへの窒素溶解度: 地球史を通じた大気-マントル共進化過程への考察2021

    • Author(s)
      福山 鴻、鍵 裕之、井上 徹、柿澤 翔、新名 亨、菱田 俊一、高畑 直人、佐野 有司、Cecile Deligny、Evelyn Furi
    • Organizer
      2021年度日本地球化学会第68回年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Increase of nitrogen solubility with increasing iron concentration in lower-mantle minerals: formation of deep nitrogen reservoir through solidification of magma ocean2021

    • Author(s)
      Fukuyama K., Kagi H., Inoue T., Kakizawa S., Shinmei T., Sano Y., Takahata N., Hishita S., Deligny C., Furi E.
    • Organizer
      Russia-Japan online seminar on January 17 and 18
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 東大・愛媛大など、地球形成初期における鉄への水素の溶け込みは硫黄に阻害されていたことを明らかに

    • URL

      https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP613024_S1A620C2000000/

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 地球形成初期、鉄への水素の溶け込みは硫黄に阻害されていた

    • URL

      https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2021/7444/

    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-12-25  

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