Creation of the best model of the Earth's core

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H05748
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大谷 栄治 東北大学, 理学研究科, 名誉教授 (60136306)
• 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)
• Project Period (FY): 2015-05-29 – 2020-03-31
• 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 / 中性子回折実験

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、昨年度に引き続いて、①鉄および鉄軽元素合金の音速測定、②メスバウア分光法による鉄ケイ素合金の磁性転移および電子とポグラフィ転移の解明、③鉄ニッケルケイ素合金の相平衡実験、④核とマントルの相互作用と核マントル境界の研究を行った。さらに、これらに加えて、中性子回折実験を新たに開始し、核中の水素の存在様式を解明するために鉄・水素系の相平衡、鉄中の水素の存在様式を解明した。
①鉄・軽元素系の音速測定においてはhcp構造のFe-Si合金の音速を高温・高圧下において測定し、内核におけるケイ素の存在量を見積もった。また、この実験に引き続いて、hcp構造のFeNiSi合金の高温高圧下における音速測定を開始した。②メスバウア分光による鉄ケイ素合金の磁性転移および電子トポロジカル転移については、この合金における、構造相転移と磁性転移の関係を明らかにし、hcp鉄ケイ素合金において、電子トポロイカル転移の組成依存性を明らかにした。③鉄ニッケルケイ素合金の相平衡実験に関しては、hcp構造相とともに、B2相が広い組成・温度・圧力範囲で安定に存在することを見出した。この結果は、地球の内核においては、hcp相とともに、B2相が存在することを強く示唆する結果が得られた。④核マントル境界において、鉄と水の反応の結果FeHとFeOOH相が存在することを見出した。中性子回折実験においては、fcc構造中の水素が、6配位席とともに4配位席にも存在することを初めて明らかにした。また、水素の固溶による格子の膨張量を測定した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、非弾性散乱法による音速測定、X線メスバウア法による磁性転移の解明、中性子回折実験による鉄中の水素の研究などが行われた。
非弾性散乱実験に関しては、hcp-Feおよびhcp-FeSi合金の高温高圧での測定を行い、論文として発表している。また、すでにFe3C、Fe3S、FeNi合金についての高温高圧での測定結果を、論文として準備中である。また、予定以上の成果を目指して、高圧相hcp-Feの単結晶の音速測定を目指して実験を始めている。
X線メスバウア分光測定に関しては、高圧高温でのメスバウア分光測定において、レーザー加熱のシステムの導入の問題で遅れが認められたが、外熱ダイヤモンドアンビルを用いて高温での測定を実現した。また、地球核の圧力でのメスバウア分光によって、FeOのスピン状態を解明し論文化するとともに、FeSi合金において、電子トポロジカル転移を示唆する結果を初めて得るなど、ほぼ期待通りの結果を得ている。
高温高圧中性子実験に関しては、J-PARCにおいて、実験の機会を得ることができた。この鉄中の水素（H）の中性子回折実験は、重水素（D）以外は困難であるとして、当初測定が疑問視されていたが、この測定が重水素と同程度の精度で測定を行うことができた点は、予定以上の成果と言える。また、世界で初めて高温高圧下での鉄水素化物中の水素の席選択や固溶度などを測定することに成功したことも、予定以上の成果である。
以上の実験の現状を総合すると、研究はおおむね予定通り順調に進んでいるものと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

非弾性散乱法においては、昨年度に引き続いて、SPring8のBL35XUおよびBL43XUにおいて、核の主要構成物質であるhcpFeNiSi系の合金の音速測定を行う。また、核マントル境界の存在が予想されている、パイライト型FeO2H相、ポストぺリブスカイと型Fe2O3相などの音速測定を試み、核マントル境界の超低速度層（ULVZ)にこれらの相が存在しうるか否かを明らかにする。FeNiSi系においては、相平衡実験によって、広い組成と温度圧力範囲でhcp相とB2相の安定領域を特定する計画である。メスバウア分光に関しては、FeSi合金の磁性・電子トポロジカル転移に関しての結果をまとめる予定である。核の水素の存在を明らかにするために、鉄水素化物の高温高圧中性子回折実験を継続し、fcc相のみならずdhcp相鉄中の水素の挙動を明らかにすること、さらに鉄ニッケル合金中の水素の挙動を明らかにし、金属中に入る水素量に対するニッケルの効果を解明する。

Research Products

• [Journal Article] Sound velocity measurements of hcp Fe-Si alloy at high pressure and high temperature by inelastic X-ray scattering (2018)
  • Author(s): Sakairi, T., Sakamaki, T., Ohtani, E., Fukui, H., Kamada, S., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron A.Q.R.
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 103 Pages: 85-90
  • DOI: https://doi.org/10.2138/am-2018-6072
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical reactions between Fe and H2O up to megabar pressures and implications for water storage in the Earth's mantle and core (2018)
  • Author(s): Yuan, L., Ohtani, E., Ikuta, D., Kamada, S., Tsuchiya, J., Hirao, N., Ohishi, Y., Suzuki, A.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 45 Pages: 1330-1338
  • DOI: https://doi.org/ 10.1002/2017GL075720
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 6.Compressional sound velocity of hexagonal close-packed iron up to 163 GPa and 3000 K (2017)
  • Author(s): Sakamaki, T., Ohtani, E., Fukui, H., Baron, A.Q.R.
  • Journal Title: SPring-8/SACLA Research Frontiers Volume: 2016 Pages: 82-83
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Melting relations in the Fe-S-Si system at high pressure and temperature: implications for the planetary core (2017)
  • Author(s): Sakairi, T., Ohtani, E., Kamada, S., Sakai, T., Sakamaki, T., Hirao, N
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 4 Pages: 1-11
  • DOI: doi:10.1186/s40645-017-0125-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Albite dissociation reaction in the Northwest Africa 8275 shocked LL chondrite and implications for its impact history (2017)
  • Author(s): Miyahara, M., Ohtani, E., Yamaguchi, A.
  • Journal Title: Geochimica Et Cosmochimica Acta Volume: 217 Pages: 320-333
  • DOI: doi:10.1016/j.gca.2017.08.034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diamond formation in the deep lower mantle: a high- pressure reaction of MgCO3 and SiO2 (2017)
  • Author(s): Maeda, F., Ohtani, E., Kamada, S., Sakamaki, T., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Pages: 1-7
  • DOI: doi:10.1038/srep40602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Jadeite in shocked meteorites and its textural variations (2017)
  • Author(s): Ohtani, E., Ozawa, S., Miyahara, M.
  • Journal Title: ournal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: 112 Pages: 247-255
  • DOI: doi:10.2465/jmps.170329
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shock-induced P-T conditions and formation mechanism of akimotoite-pyroxene glass assemblages in the Grove Mountains (GRV) 052082 (L6) meteorite (2017)
  • Author(s): Feng, L., Miyahara, M., Nagase, T., Ohtani, E., Hu, S., El Goresy, A., Lin, Y.T.
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 102 Pages: 1254-1262
  • DOI: doi:10.2138/am-2017-5905
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spherulite-like jadeite growth in shock-melt veins of the Novosibirsk H5/6 chondrite, (2017)
  • Author(s): Bazhan, I.S., Ozawa, S., Miyahara, M., Ohtani, E., Litasov, K.D.,
  • Journal Title: Russian Geology and Geophysics Volume: 58 Pages: 12-19
  • DOI: doi:10.1016/j.rgg.2016.04.012
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] pin state and electronic environment of iron in basaltic glass in the lower mantle (2017)
  • Author(s): Maeda, F., Kamada, S., Ohtani, E., Hirao, N., Mitsui, T., Masuda, R., Miyahara, M., McCammon,
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 102 Pages: 2106-2112
  • DOI: doi:10.2138/am-2017-6035
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stability field of phase Egg, AlSiO3OH at high pressure and high temperature: possible water reservoir in mantle transition zone (2017)
  • Author(s): Fukuyama, K., Ohtani, E., Shibazaki, Y., Kagi, H., Suzuki, A.
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences, Volume: 112 Pages: 31-35
  • DOI: doi:10.2465/jmps.160719e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The stability of anhydrous phase B, Mg14Si5O24, at mantle transition zone conditions. (2017)
  • Author(s): Yuan, L., Ohtani, E., Shibazaki, Y., Ozawa, S., Jin, Z., Suzuki, A., Frost, D.
  • Journal Title: Physics and Chemistry of Minerals, Volume: 43 Pages: 1-9
  • DOI: doi:10.1007/s00269-017-0939-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] GS Urey lecture, Fate of volatiles in the deep mantle and the light elements in the Core (2017)
  • Author(s): Ohtani, E
  • Organizer: Goldschmidt conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Physical and chemical properties of iron alloys and composition of the Earth's inner core (2017)
  • Author(s): Ohtani, E
  • Organizer: AIRAPT
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Physical Properties of iron-light element alloys and composition of the Earth's core (2017)
  • Author(s): Ohtani, E
  • Organizer: XXXIV International Conference on "Magmatism of the Earth and related strategic metal deposits"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Application of a STXM analysis for diamond in ureilite (2017)
  • Author(s): Miyahara, M., Suga, H., Ohtani, E., Ohigashi, T. Inagaki, Y
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Composition of the core: Geochemical and mineral physics constraints (2017)
  • Author(s): Ohtani, E., Sakairi, T., Sakamaki, T., Kamada, S., Tanaka, R., Fukui, H., Baron, A.Q.R.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Discovery of heavily shocked type 3 ordinary chondrites (2017)
  • Author(s): Miyahara, M., Yamaguchi, A., Ohtani, E.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Geochemical and mineral physics constraints on the composition of the inner core (2017)
  • Author(s): Ohtani, E., Sakamaki, T., Sakairi, T., Tanaka, R., Kamada, S., Fukui, H., Baran, A.Q.R
  • Organizer: Goldschmidt conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure dissociation of olivine in North West Africa 7397 lherzolitic shergottite (2017)
  • Author(s): Yoshida, M., Miyahara, M., Yamaguchi, A., Tomioka, N., Sakai, T., Ohfuji, H., Maeda, F., Ohira, I., Ohtani, E., Kamada, S., Suga, H., Ohigashi, T., Inagaki, Y
  • Organizer: The 8th Symposium on Polar Science
• [Presentation] In-situ characterization of carbon components in the North West Africa 7034 (2017)
  • Author(s): Suga, H., Miyahara, M., Ito, M., Takeichi, Y., Yabuta, H., Takahashi, Y., Ohtani, E.
  • Organizer: The 8th Symposium on Polar Science
• [Presentation] Pressure-volume-temperature behaviors for hydrogen content and volume in iron hydride at high pressure and high temperature (2017)
  • Author(s): Ikuta, D., Ohtani, E., Sano-Furukawa, A., Shibazaki, Y., Terasaki, H., Yuan, L., Hattori, T.,
  • Organizer: 9th High-Pressure Mineral Physics Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pressure-volume-temperature behaviors of iron hydride at high pressure and high temperature based on neutron diffraction study, (2017)
  • Author(s): Ikuta, D., Ohtani, E., Sano-Furukawa, A., Shibazaki, Y., Terasaki, H., Yuan, L., Hattori, T.,
  • Organizer: The 58th High Pressure Conference of Japan
• [Presentation] Pressure-volume-temperature relations for hydrogen volume and content in iron hydride at high pressure and high temperature (2017)
  • Author(s): Ikuta, D., Sano-Furukawa, A., Shibazaki, Y., Terasaki, H., Yuan, L., Hattori, T., Ohtani, E.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shock pressure estimation by high-pressure polymorphs and cathodoluminescence spectra of maskelynite in Yamato-790729 L6 chondrite and their significance for collisional condition (2017)
  • Author(s): Kato, Y., Sekine, T., Kayama, M., Miyahara, M., Yamaguchi A
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shocked type 3 ordinary chondrites (2017)
  • Author(s): Miyahara, M., Yamaguchi, A., Ohtani, E., Tomioka, N.,
  • Organizer: The 8th Symposium on Polar Science
• [Presentation] Sound velocity of hcp-Fe at multi-megabar pressures (2017)
  • Author(s): Sakamaki, T., Fukui, H., Ohtani, E., Tanaka, R., Baron, A.Q.R.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity of iron-light element compounds and composition of the inner core (2017)
  • Author(s): Ohtani, E., Sakamaki, T., Kamada, S., Ikuta, D., Tanaka, R., Fukui, H., Baron, A.Q.R.
  • Organizer: 9th High-Pressure Mineral Physics Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The heterogeneities in Lunar interior: Role of High Titanium materials (2017)
  • Author(s): Ohtani, E., Igarashi, M., Sakamaki, T., Zhao, D.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The sound velocity measurements of FeO at high pressure and temperature: Implications for the low velocity anomaly around the core-mantle boundary (2017)
  • Author(s): Tanaka, R., Sakamaki, T., Fukui, H., Ohtani, E., Kamada, S., Sato, S., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron, A.Q.R., Suzuki, A.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 音速測定と固液分配実験から測定する内核の組成 (2017)
  • Author(s): 大谷栄治, 坂巻竜也, 生田大穣, 田中遼介, 福井宏之, バロン・アルフレッド
  • Organizer: 日本鉱物科学会2017年年会
• [Presentation] 高温高圧下における鉄水素化物中の水素含有量と体積の圧力-体積-温度挙動 (2017)
  • Author(s): 生田大穣, 大谷栄治, 佐野亜沙美, 柴崎裕樹, 寺崎英紀, 袁亮, 服部高典
  • Organizer: 日本鉱物科学会2017年年会
• [Remarks] 地球核の最適もモデルの創出
  • URL: http://epms.es.tohoku.ac.jp/minphys/S_HP27-31/index_s.html
• [Remarks] Creation of the best model of the core
  • URL: http://epms.es.tohoku.ac.jp/minphys/S_HP27-31/index_s_e.html