2017 Fiscal Year Annual Research Report
Core-mantle co-evolution constrained from isotopes
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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| Project/Area Number |
15H05830
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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, 海底資源研究開発センター, センター長代理 (70251329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐野 亜沙美 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 副主任研究員 (30547104)
野村 龍一 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 特定助教 (40734570)
下田 玄 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, 研究グループ長 (60415693)
佐野 有司 東京大学, 大気海洋研究所, 教授 (50162524)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 核－マントル相互作用 / タングステン同位体 / 元素分配 / 微小領域分析 / 鉛同位体 / 高温高圧実験 / ハロゲン元素の分配 / 超高精度同位体分析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球初期の進化を検出するための岩石中の鉛同位体比の高精度測定が可能になった。その測定法を天然試料に適用した共同研究を元素分配班のKumar教授らと行った。
一方，タングステン-182同位体は，親核種のハフニウム-182の半減期が数百万年と短いため，地球初期の化学進化，および，核－マントル相互作用を制約できる同位体として期待されている。この同位体変動の検出には非常に高い精度が必要であるが，様々な工夫の末に分析手法を確立し，多重検出器型ICP質量分析計を用いて，必要な精度のタングステン同位体比が可能になった。そこで，確立した手法をハワイ・ロイヒ島の玄武岩に適用し，タングステン-182の負異常を確認した。分析手法が確立したことから，オントンジャワ海台の玄武岩や中央海嶺玄武岩の分析をスタートした。
核-マントル間のハロゲン元素の分配を調べるため，NanoSIMSを用いて高圧実験で作成した試料の高感度分析を行い，分配に関する情報を得た。また，極微小領域の炭素同位体分析法を確立し，実際の地球科学試料に応用した。
地球深部環境を再現する高温高圧実験においては，技術開発班との共同研究により，核-マントル境界圧力で実験可能な新規変形試験機の開発・高度化を行った。さらに，重水素化により格子体積の増加する”負の同位体効果”を示す含水鉱物ギアナイトについて高圧下中性子回折実験を行い，水素結合の非局在化がこの異常に重要な役割を果たしていることを明らかにした。
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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
本研究計画の達成の鍵となるタングステン-182同位体の分析手法が確立され，ハワイ・ロイヒ火山，キラウエア火山玄武岩への適用を始めとして，地球深部からの大規模マントル上昇流に酔って形成されたオントンジャワ海台玄武岩，比較として海嶺玄武岩，地球の初期の頃に形成されたキンバライトの分析を行った。他の岩石では誤差範囲を超えるタングステン-182同位体異常は見られなかったが，ハワイ・ロイヒ火山玄武岩には負の異常が見られた。
一方，地球深部を起源とするマグマが，コア－マントル境界から来たと推定し得る根拠のひとつは，オリビン包有物中のHe同位体比が高いことである。オリビンは地球化学で一般に用いられる液相濃集元素濃度が低く，オリビン中の液相濃集元素からコアとマントルの相互作用を検知するのは不可能である。そこでオリビンの主成分元素である鉄の安定同位体比の測定法の立ち上げに着手した。主成分なので一粒子からの測定も可能と考えている。また，マントル遷移層を構成する鉱物について，高温高圧下における水素同位体分配実験を行い，得られた回収試料についてSIMSによる同位体分析を実施した。
ハロゲン元素や窒素のケイ酸塩への分配を調べるため，高圧実験試料を作成し，NanoSIMSを用いた分析を行っている。また，実際の地球科学試料を用いて，極微小領域における各種元素，同位体を精密に分析するために必要な分析を開始した。その手法を利用して，地球形成期に核に溶け込んだ希ガスの量を推定するため，高圧高温下で金属鉄-ケイ酸塩間希ガス分配実験を行い，実験・分析にかかる様々なテストを行った。さらに希ガス量分析用イメージングカメラの解像度を上げることで分析可能になる段階まで研究が進捗した。
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| Strategy for Future Research Activity |
タングステン同位体比の高精度分析が可能となったため，地球深部由来の玄武岩に応用する。特に巨大火成活動による火山岩，深部起源の海洋島玄武岩，および，同位体組成的に地球の始原物質であると予測されているルイビルの玄武岩への適用を進める。
水素同位体組成の定量分析を目指して，京都大学伊藤氏と連携し標準試料の合成および定量分析手法の確立を目指す。
NanoSIMSを用いた希土類元素の定量分析法を開発し，高圧下でのケイ酸塩と金属鉄の間の分配係数を推定する。一方，金属鉄については，マルチアンビルを用いた高温高圧での標準試料の合成に挑み，希土類元素が均質な試料を調製する。並行して高温高圧下での重水素の合成実験を行う。
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Research Products
(56 results)
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[Journal Article] Changes in detrital input, ventilation and productivity in the central Okhotsk Sea during the marine isotope stage 5e, penultimate interglacial period2018
Author(s)
F. J. Jimenez-Espejo, A. Garcia-Alix, N. Harada, A. Bah, S. Sakai, K. Iijima, Q. Chang, K. Sato, K. Suzuki and N. Ohkouchi
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Journal Title
Journal of Asian Earth Sciences
Volume: 156
Pages: 189～200
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Subsurface deposition of Cu-rich massive sulphide underneath a Palaeoproterozoic seafloor hydrothermal system-the Red Bore prospect, Western Australia2018
Author(s)
A. Agangi, S. M. Reddy, D. Plavsa, C. Vieru, V. Selvaraja, C. LaFlamme, H. Jeon, L. Martin, T. Nozaki, Y. Takaya and K. Suzuki
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Journal Title
Mineralium Deposita
Volume: -
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Metasomatic PGE mobilization by carbonatitic melt in the mantle: Evidence from sub-μm-scale sulfide-carbonaceous glass inclusion in Tahitian harzburgite xenolith2017
Author(s)
N. Akizawa, A. Miyake, A. Ishikawa, A. Tamura, Y. Terada, K. Uesugi, A. Takeuchi, S. Arai, C. Tanaka, Y. Igami, K. Suzuki and T. Kogiso
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Journal Title
Chemical Geology
Volume: 475
Pages: 87～104
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Paleoceanographic conditions on the Sao Paulo Ridge, SW Atlantic Ocean, for the past 30 million years inferred from Os and Pb isotopes of a hydrogenous ferromanganese crust2017
Author(s)
K. T. Goto, T. Nozaki, T. Toyofuku, A. H. Augustin, G. Shimoda, Q, Chang, J.-I. Kimura, K. Kameo, H. Kitazato and K. Suzuki
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Journal Title
Deep Sea Research, Part II: Topical Studies in Oceanography
Volume: 146
Pages: 82～92
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] High Pressure Experiments on Metal-Silicate Partitioning of Chlorine in a Magma Ocean: Implications for Terrestrial Chlorine Depletion.2017
Author(s)
Kuwahara, H., Gotou, H., Shinmei, T., Ogawa, N., Yamaguchi, A., Takahata, N., Sano, Y., Yagi, T., Sugita, S.
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Journal Title
Geochemistry, Geophysics, Geosystems
Volume: 18
Pages: -
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Early trace of life from 3.95 Ga sedimentary rocks in Labrador, Canada.2017
Author(s)
Tashiro, T., Ishida, A., Hori, M., Igisu, M., Koike, M., M?jean, P., Takahata, N., Sano, Y., Komiya, T.
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Journal Title
Nature
Volume: 549
Pages: 516～518
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Continuous growth of hydrogenetic ferromanganese crusts since 17 Myr ago on Takuyo-Daigo Seamount, NW Pacific, at water depths of 800-5500 m2017
Author(s)
A. Usui, K. Nishi, H. Sato, Y. Nakasato, B. Thornton, T. Kashiwabara, A. Tokumaru, A. Sakaguchi, K. Yamaoka, S. Kato, S. Nitahara, K. Suzuki, K. Iijima and T. Urabe
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Journal Title
Ore Geology Reviews
Volume: 87
Pages: 71～87
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Depositional Age of a Fossil Whale Bone from Sao Paulo Ridge, South Atlantic Ocean, Based on Os Isotope Stratigraphy of a Ferromanganese Crust2017
Author(s)
T. Nozaki, Y. Takaya, T. Toyofuku, A. Tokumaru, K. T. Goto, Q. Chang, J.-I. Kimura, Y. Kato, K. Suzuki, A. H. Augustin and H. Kitazato
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Journal Title
Resource Geology
Volume: 67
Pages: 442～450
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Late Neogene marine osmium isotopic records of the Mediterranean and Atlantic sediments2017
Author(s)
Junichiro Kuroda, Francisco J. Jimenez-Espejo, Tatsuo Nozaki, Rocco Gennari, Stefano Lugli, Vinicio Manzi, Marco Roveri, Rachel Flecker, Francisco J. Sierro, Toshihiro Yoshimura, Katsuhiko Suzuki and Naohiko Ohkouchi
Organizer
European Geoscience Union General Assembly 2017
Int'l Joint Research
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[Presentation] Osmium isotope and PGE signatures of the deep-sea deposits from Japan: implications for the Late Triassic impact event2017
Author(s)
Sato, H., Nozaki, T., Ishikawa, A., Onoue, T., Kimura, J.-I., Chang, Q. Suzuki, K.
Organizer
Goldschmidt 2017
Int'l Joint Research
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[Presentation] Earth sciences using high-pressure and high-temperature neutron scattering2017
Author(s)
Hattori Takanori, Sano Asami, Machida Shinichi, Abe Jun, Funakoshi Kenichi, Nakamura Mitsutaka, Iida Kazuki, Kawamura Seiko, Shibata Kaoru, Yamada Takeshi, Oishi Kazuki
Organizer
Strategy Meeting for High Pressure Spallation Science
Int'l Joint Research / Invited
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