2015 Fiscal Year Annual Research Report
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15H05748
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
大谷 栄治 東北大学, 理学研究科, 教授 (60136306)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂巻 竜也 東北大学, 理学研究科, 助教 (30630769)
平尾 直久 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (70374915)
福井 宏之 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (90397901)
宮原 正明 広島大学, 理学研究科, 准教授 (90400241)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 地球核 / 高温高圧 / X線非弾性散乱 / 放射光メスバウア法 / 音速 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の実験では、①核構成物質の高温高圧下における音速測定、②メスバウア分光法による核構成物質の高圧下での磁性転移の研究、③内核・外核の軽元素分配の研究、④核の形成過程と核マントル相互作用の研究を進めることができた。音速測定では、世界に先駆けて鉄の多形であるhcp-Feの核の温度圧力条件での縦波速度Vpの測定に成功した（Sakamaki et al., Science Adv.,2016）。また、bcc-Feの縦波速度、横波速度の高精度の測定も行うことができた（Shibazaki et al., Am Min, 2016）。これにもとづいて、内核の軽元素の候補として、水素、硫黄、珪素の可能性を示唆した。また、既存のhcp-Feの音速と密度の測定結果を検討し、もっとも信頼できるhcp-Feの密度と音速の関係式を提案した（Antonangeli and Ohtani, 2015）。また、②のバウア分光法については、Fe-Si合金については、bccからhcpへの構造相転移と磁性から非磁性への転移が1GPa以内で一致して起こることを開らかにした。また、hcp-Feおよびhcp-FeNi合金で室温で約30 GPaで認められるリフシッツ転移がFeSi合金にも起こることを、はじめて明らかにした。転移が正の勾配を持つ場合には、核の条件でもこの転移が存在する可能性があり、今後検証が必要である。また、FeOについて高圧下で低スピンから高スピン状態の相転移が100-150GPaの広い圧力範囲で徐々に生じることを明らかにした(Hamada et al., Phys. Rev. B., 2016)。③、④の核における軽元素については、珪素、硫黄、酸素の内核および外核の間の元素分配の実験、核とマントル間の炭素、水素の分配の実験を行い、内核と外核に存在し得る軽元素の種類と量について検討した。
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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
本年度の実験では、①核構成物質の高温高圧下における音速測定、②メスバウア分光法による核構成物質の高圧下での磁性転移の研究、③内核・外核の軽元素分配の研究、④核の形成過程と核マントル相互作用の４課題の研究を進めている。①核を構成する物質の音速測定では、世界に先駆けて鉄の多形であるhcp-Feの核の温度圧力164GPa, 3000 Kの条件での縦波速度Vpの測定に成功した。また、bcc-Feの縦波速度Vp、横波速度Vsの高精度の測定も行うことができた。これにもとづいて、内核の軽元素の候補として、水素、硫黄、珪素の可能性を示唆することができた点は大きな前進であった。金属鉄の音速に関しては、研究グループ間で大きな実験データの食い違いある。この問題点を、既存のhcp-Feの測定結果を検討し、もっとも信頼できるhcp-Feの密度と音速の関係式を提案した点も大きな進歩であった。②のバウア分光法を用いた磁性の研究では、高温高圧下での磁性測定をめざしたが、ビームラインのX線光学系の調整不良のために、十分な強度のX線が得られず、予定通りの高温高圧での測定はできなかった。しかしながら、室温においては、Fe-Si合金については、bccからhcpへの構造相転移と磁性から非磁性への転移が1GPa以内で一致して起こることを開らかにした。また、hcp-Feおよびhcp-FeNi合金で室温で約30 GPaで認められるリフシッツ転移（電子トポグラフィ転移）がFeSi合金にも起こることをはじめて明らかにするなど、新たな進歩は見られた。また、FeOについて高圧下で低スピンから高スピン状態の相転移が100-150GPaの広い圧力範囲で徐々に生じることを明らかにした。③、④の核における軽元素については、珪素、硫黄、酸素の内核および外核の間の元素分配の実験、核とマントル間の炭素、水素の分配の実験を行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度の実験を継続するとともに、次のステップの実験的研究に着手する。
前年度に引き続き、SPring-8のBL35XUおよびBL43XUにおいて、Ｘ線非弾性散乱法によって、160GPa, 3000Kの高温高圧下において、FeNiおよびFeと軽元素（Si,S,C,O,等）系の合金・化合物の音速を系統的に測定し、hcp-Feの音速に対する軽元素の固溶の影響を解明する。また、測定の圧力条件をさらに拡大する。
エネルギー領域放射光57Feメスバウア分光システムを用いて、金属鉄、Fe-軽元素（Si, C, O）系の合金および化合物に対して、磁性と構造相転移の関係を明らかにする。PFおよびSpring-8において、鉄合金などの選択配向と弾性波速度異方性を解明し、内核の地震波異方性の起源を議論する。
前年度に引き続き、核の条件における高温高圧Ｘ線回折によってFe-Si-S系などの溶融関係の解明し、内核・外核間の元素分配様式を決定する。また、金属鉄・ケイ酸塩間の軽元素の元素分配実験を行い、マグマオーシャンでの核の分離過程を明らかにし、地球核の総化学組成に制約を与える。
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[Journal Article] Constraints on Earth’s inner core composition inferred from measurements of the sound velocity of hcp-iron in extreme conditions2016
Author(s)
T. Sakamaki, E. Ohtani, H. Fukui, S. Kamada, S. Takahashi, T. Sakairi, A. Takahata, T. Sakai, S. Tsutsui, S. Ishikawa, R. Shiraishi, Y. Seto, T. Tsuchiya, A. Q. R. Baron
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Journal Title
Science Advances
Volume: 2
Pages: e1500802
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] フェロペリクレイスのフォノン軟化2015
Author(s)
福井宏之, バロン アルフレッド, 土屋卓久, 芳野極, 小林寿夫, 大石泰生
Organizer
第56回高圧討論会
Place of Presentation
JMSアステールプラザ（広島県広島市）
Year and Date
2015-11-10 – 2015-11-12
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