| Project/Area Number |
23K22598
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| Project/Area Number (Other) |
22H01327 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
鈴木 勝彦 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋機能利用部門(海底資源センター), センター長 (70251329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
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| Keywords | 第一原理計算 / 核－マントル相互作用 / 元素分配 / タングステン同位体 / 白金族元素濃度 / 強親鉄元素 / 分配 / 化学進化 / 深部地球の化学進化 / マグマオーシャン |
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| Outline of Research at the Start |
核－マントル間での物質的やりとりに関しては，直接的情報を得る方法が限られているために十分な理解が進んでいない。その状況で，親鉄性元素であるタングステン（W）は中心核の情報をマントル上昇流で入手可能な地表まで運ぶことが期待できる数少ない元素である。特にその同位体は，地球の核－マントル間の進化に関する重要な情報を提供する。
本研究では，マントル深部起源の岩石に対し，高精度W同位体比を得て，時代変動を丁寧に追う。一方，ケイ酸塩メルトと液体鉄間でのHf-Wの分配を決めることによって，W同位体を起こすプロセスを明らかにする。２つの知見を総合的に解釈し，判然としない核－マントル相互作用の様態を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
高精度のタングステン同位体比を得るために，化学分離を大幅に改良して論文（Kashiwabara et al.,2024）として公表した分離手法を各種岩石に応用した。おおむね90％以上の回収率を得られるようになったため，高精度の分析をするために必要な30ppb 1.4mlの試料量を得ることが可能となり，分析に必要な岩石量が1g以下になるケースがあり，また，分析できる岩石種が広がった。
脱溶媒ネブライザーApexの運用は，MC-ICP-MSにて高感度での分析を行うために必須であるが，測定開始前に洗浄後，イソプロピルアルコールで十分に乾燥させることが感度を上げ，安定性を維持するために必要な手順であることが明らかになった。また，MC-ICP-MSでプラズマから装置内のインターフェースであるコーンによって感度が異なることが判明した。これらを利用して，超高精度の同位体分析に臨んだ。
中国内モンゴルの大規模火成活動によって生成した玄武岩試料について，異常値が現れないことが明らかになった。同じ試料で鉄の同位体を分析をし，この火山岩が太平洋側から沈み込んで対流しているスタグナントスラブによるものだという結論を得，論文として公表した（Lei et al., 2024）。
本研究の重要な柱である第一原理計算による，地球初期のマグマオーシャンを想定した溶融鉄と溶融岩石との間のハフニウム，タングステンの分配計算をさらに進めた。圧力，化学組成にかかわらず，ハフニウムは親石性を，タングステンは親鉄性を示すことがわかった。学会での指摘を受け，HfはHfO2のみでなく，HfO3についても計算し，同様の親石赤誠を示す結果を得た。これによって，地球の岩石の182W同位体の異常値は核－マントル相互作用における分配に制約されることが強く示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書に記した以下の項目について，
① W同位体分析手法の改良（鈴木）に関しては，上記のように達成された。さらに，脱溶媒ネブライザーや，多検出器型ICP質量分析計のコーンの特性を把握し，さらなる高感度のW同位体分析が可能となった。
②，③ 試料入手・採取（鈴木）に関して，研究協力者から入手した以下の試料を対象として、分析結果について複数の論文が出版された。
(1)38億年～34億年前までのIsua，Komati，Pilbara のコマチアイト，[東北大・掛川教授]，(2)中国・東Hebei地域の34.5億年前の最古の鉄質ピクライト[中国地質大Wang博士]，(3)33億年前のインドDharwar，Singhbhumのコマチアイト[新潟大Satish-Kumar，Hyderabad 大Jayananda 博士]，(4)35億年～24億年前の南極の氷河堆積物(diamictite) [中国地質科学院Wang 博士]，(5)27億年～25億年前のLuxi緑色岩帯のコマチアイト，Wutai-Hengshan変成岩[北京大Chen 博士]。
④ 第一原理計算によるHf，W 分配制約（土屋）によって，上記岩石処理と並行して，統計力学的手法である熱力学積分法(Kirkwood, 1935)を第一原理分子動力学計算法に組み合わせた独自の手法をさらに高度化した。それによって，ケイ酸塩メルトと液体金属間でのW・Hfの分配特性，またそれらへの温度，圧力，酸化還元状態の効果について高精度計算を実行した。
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| Strategy for Future Research Activity |
交付申請書に記した以下の項目について，
① W同位体分析手法の改良（鈴木）に関しては，脱溶媒ネブライザーや多検出器型ICP質量分析計のインターフェースなどをさらに先鋭化し，これまでより高感度，高精度の分析手法を開発する。それによって，W同位体分析が可能な試料範囲を広げる。
②，③ 試料入手・採取（鈴木）に関して，これまで得られた結果から，さらに研究を展開するために，深部起源の岩石を共同研究者から入手することを試みる。着実に分析数を増やして，世界的なW同位体異常の原因のモデルを考察する。
④ 第一原理計算によるHf，W 分配制約（土屋）によって，上記岩石処理と並行して，統計力学的手法である熱力学積分法(Kirkwood, 1935)を第一原理分子動力学計算法に組み合わせた独自の手法をさらに高度化する。それによって，ケイ酸塩メルトと液体金属間でのW・Hfの分配特性，またそれらへの温度，圧力，酸化還元状態の効果について高精度計算を実行する。得られた結果を論文にまとめる。
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