Construction of Earth formation model by isotopic analysis of siderophile elements in meteorites and Archean igneous rocks

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00715
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 横山 哲也 東京工業大学, 理学院, 教授 (00467028)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石川 晃 東京工業大学, 理学院, 准教授 (20524507) ; 玄田 英典 東京工業大学, 地球生命研究所, 准教授 (90456260)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 親鉄元素 / 同位体異常 / 地球形成モデル / 太古代火成岩 / 隕石

Outline of Annual Research Achievements

前年度の研究により、隕石のモリブデン化学分離法を地球試料に適用した場合、スズおよびニオブがモリブデンと共存してしまうことが判明した。そこで、陰イオン交換樹脂を用いた新たな化学分離過程を加えることにより、この問題を解決した。また、表面電離型質量分析計（TIMS）を用いたモリブデン同位体分析法では、新たにダブルフィラメントを用いた分析法の開発を行った。従来のシングルフィラメントでは1回の分析に2000 ngのモリブデンを必要としたが、新たな方法の開発により、従来の25%（500 ng）のモリブデン量で同精度の分析が可能となった。
太古代地球試料の分析では、変質したコマチアイトに代わり、初期太古代アカスタ片麻岩体苦鉄質岩を対象にモリブデン同位体分析を行った。これらの試料は源岩形成以降に変成作用を被っているが、オスミウム同位体比の解析からレニウムやモリブデンに関する移動が生じていないことが示された。そこで、新たに開発したスズおよびニオブを除去する化学分離法、並びにダブルフィラメントを用いたモリブデン同位体分析法を5試料に適用した。その結果、誤差範囲を超える非質量依存モリブデン同位体異常は見つからなかった。このことは、アカスタ片麻岩体苦鉄質岩の起源物質は既に現在の地球マントルと同じモリブデン同位体組成を持っていたことを意味する。
理論研究では、前年度に引き続き、地球型惑星の成長における地殻・マントル・コア間の元素分配に関する理論モデルの構築を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

分析技術の開発では大きな進歩があった。まず、前年度問題となっていたスズとニオブが共存してしまう問題を解決することができた。また、TIMSによるモリブデン同位体分析において、ダブルフィラメント法を導入することにより、従来の四分の一の試料量で同精度の分析が可能になったことは特筆すべきである。
一方、太古代地球試料の分析では、地球上最古の岩石として太古代アカスタ片麻岩体苦鉄質岩のデータを出すことに成功した。ただし、本研究の作業仮説である、s-processに富んだ原始地球の成分は検出されなかったため、更なる試料の分析が必要であることがわかった。コロナ禍による実験の制約があり、2020年度前半はほとんど実験を行うことができなかった。それにもかかわらず、上記のような成果が出ているため、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

研究計画1：太古代試料のモリブデン同位体分析：アカスタ片麻岩体苦鉄質岩のモリブデン同位体分析を継続する。また、コマチアイトに関しては、バーバートンおよびゴルゴナの試料を対象に、核合成起源モリブデン同位体異常の分析を実施する。更に、太古代試料のモリブデン安定同位体分別（MDF）の測定も行う。
研究計画2：コマチアイトの記載：バーバートンおよびゴルゴナのコマチアイトの白金族存在度に関する記載を行う。また、コマチアイトの硫黄存在度について、分析法の立ち上げを検討する。
研究計画3： 地球型惑星集積の数値モデル化:惑星集積過程と衝突過程を組み合わせたモデルに同位体情報を組み込み、地球集積時の元素分配進化を計算する。

Research Products

• [Journal Article] EXAFS Determination of Clay Minerals in Martian Meteorite Allan Hills 84001 and Its Implication for the Noachian Aqueous Environment (2021)
  • Author(s): Nakada Ryoichi、Tanabe Gaku、Kajitani Iori、Usui Tomohiro、Shidare Masashi、Yokoyama Tetsuya
  • Journal Title: Minerals Volume: 11 Pages: 176～176
  • DOI: 10.3390/min11020176
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nucleosynthesis: The Where and How (2021)
  • Author(s): Yokoyama Tetsuya、Tsujimoto Takuji
  • Journal Title: Encyclopedia of Geology 2nd edition Volume: 5 Pages: 1～19
  • DOI: 10.1016/B978-0-08-102908-4.00121-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Globally distributed iridium layer preserved within the Chicxulub impact structure (2021)
  • Author(s): Goderis Steven、Sato Honami、Ferriere Ludovic、et al.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Pages: 3647～3647
  • DOI: 10.1126/sciadv.abe3647
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New geochronological constraints on the middle Archean Shurugwi greenstone belt toward an understanding of the crustal evolution of the Zimbabwe Craton (2021)
  • Author(s): Sawada Hikaru、Sawaki Yusuke、Sakata Shuhei、Ishikawa Akira、Muteta Brian、Isozaki Yukio、Maruyama Shigenori
  • Journal Title: Journal of African Earth Sciences Volume: 173 Pages: 104021～104021
  • DOI: 10.1016/j.jafrearsci.2020.104021
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modification of the composition and density of Mercury from late accretion (2021)
  • Author(s): Hyodo Ryuki、Genda Hidenori、Brasser Ramon
  • Journal Title: Icarus Volume: 354 Pages: 114064～114064
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2020.114064
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Problem of Iron Isotope Composition of the Earth and Moon. Data on δ57Fe of Luna 16, Luna 20, and Luna 24 Lunar Soil Samples (Report on the XXII Symposium on the Geochemistry of Stable Isotopes, Moscow, October 29-31, 2019) (2020)
  • Author(s): Galimov E. M.、Okabayashi S.、Yokoyama T.、Hirata T.、Terakado K.
  • Journal Title: Geochemistry International Volume: 58 Pages: 1193～1198
  • DOI: 10.1134/S0016702920110063
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Compositional heterogeneity of Archean mantle estimated from Sr and Nd isotopic systematics of basaltic rocks from North Pole, Australia, and the Isua supracrustal belt, Greenland (2020)
  • Author(s): Nakamura Hitomi、Sano Ayane、Kagami Saya、Yokoyama Tetsuya、Ishikawa Akira、Komiya Tsuyoshi、Iwamori Hikaru
  • Journal Title: Precambrian Research Volume: 347 Pages: 105803～105803
  • DOI: 10.1016/j.precamres.2020.105803
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new concept for the genesis of felsic magma: the separation of slab-derived supercritical liquid (2020)
  • Author(s): Taniuchi Hajime、Kuritani Takeshi、Yokoyama Tetsuya、Nakamura Eizo、Nakagawa Mitsuhiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-020-65641-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magma plumbing system for the Millennium Eruption at Changbaishan volcano, China: Constraints from whole-rock U-Th disequilibrium (2020)
  • Author(s): Kuritani Takeshi、Nakagawa Mitsuhiro、Nishimoto Jumpei、Yokoyama Tetsuya、Miyamoto Tsuyoshi
  • Journal Title: Lithos Volume: 366-367 Pages: 105564～105564
  • DOI: 10.1016/j.lithos.2020.105564
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Occurrence and chemical composition of the Eoarchean carbonate rocks of the Nulliak supracrustal rocks in the Saglek Block of northeastern Labrador, Canada (2020)
  • Author(s): Yoshida Satoshi、Ishikawa Akira、Aoki Shogo、Komiya Tsuyoshi
  • Journal Title: Island Arc Volume: 30 Pages: 1-34
  • DOI: 10.1111/iar.12381
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A framework for understanding Mo isotope records of Archean and Paleoproterozoic Fe- and Mn-rich sedimentary rocks: Insights from modern marine hydrothermal Fe-Mn oxides (2020)
  • Author(s): Goto Kosuke T.、Sekine Yasuhito、Shimoda Gen、Hein James R.、Aoki Shogo、Ishikawa Akira、Suzuki Katsuhiko、Gordon Gwyneth W.、Anbar Ariel D.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 280 Pages: 221～236
  • DOI: 10.1016/j.gca.2020.04.017
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A simple determination of whole-rock major- and trace-element composition for peridotite by micro-XRF spectrometer and ICP-MS using fused-glass bead (2020)
  • Author(s): Akizawa Norikatsu、Ishikawa Akira、Kogiso Tetsu
  • Journal Title: GEOCHEMICAL JOURNAL Volume: 54 Pages: 81～90
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0587
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Escape and Accretion by Cratering Impacts: Formulation of Scaling Relations for High-speed Ejecta (2020)
  • Author(s): Hyodo Ryuki、Genda Hidenori
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 898 Pages: 30～30
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab9897
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Sulfur species in carbonates of a 4.1-billion-year old Martian meteorite constraining conditions of water on ancient Mars (2020)
  • Author(s): Kajitani, I., Nakada, R., Koike, M., Tanabe, G., Usui, T., Matsu'ura, F., Fukushi, K., Yokoyama, T.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] Small-scale isotopic analysis of geological materials using the Laser Ablation with Filter (LAF) sampling method (2020)
  • Author(s): Masuda, Y., Yokoyama, T., Okabayashi, S., Ishikawa, A.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] Highly siderophile element mobility during serpentinization of forearc mantle peridotite (2020)
  • Author(s): Nakamura, N., Ishikawa, A., Yokoyama, T.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] Highly siderophile geochemistry of komatiites from Pilbara Craton, Western Australia (2020)
  • Author(s): Nakano. S., Ishikawa, A., Ueno, Y., Yokoyama, T.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] 神津島流紋岩及び玄武岩質捕獲岩の地球化学的研究 (2020)
  • Author(s): 田村達也、横山哲也、石川晃
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] Origin and evolution of distinct isotopic variabilities for Sr, Mo, and Nd within inner and outer solar system (2020)
  • Author(s): Yokoyama, T., Fukai, R., Nagai, Y., Hirata, T.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] Origin and evolution of distinct isotopic variabilities for Sr, Mo, and Nd within CC and NC reservoirs (Keynote Talk) (2020)
  • Author(s): Yokoyama, T., Fukai, R., Nagai, Y., Hirata, T.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Origin of Hawaiian mantle xenoliths: fragments of mantle plume? (2020)
  • Author(s): Fujita, R., Ishikawa, A., Yokoyama, T., Garcia, M.O.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Assessment of the effect of mass-dependent fractionation on 142Nd compositions in Archean rocks (2020)
  • Author(s): Fukai, R., Asanuma, H., Komiya, T., Yokoyama, T., Hirata, T.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lead Isotope Analysis for Picogram Size Samples by TE-DS-TIMS using Amplifier equipped with 10^13 Ohm Resistor (2020)
  • Author(s): Fukami, Y., Tobita, M., Yokoyama, T., Suzuki, K.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] No impact signatures in Earth’s oldest rocks from Acasta Gneiss Complex, Canada (2020)
  • Author(s): Ishikawa, A., Koshida, K., Suzuki, K., Yokoyama, T., Komiya, T.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Laser Ablation with Filter (LAF) sampling method for micro-scale isotopic analysis of geologic materials (2020)
  • Author(s): Masuda, Y., Yokoyama, T., Okabayashi, S., Ishikawa, A.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 10＾13Ω抵抗付増幅器を使用したTE-DS-TIMSによる極微量鉛同位体分析における時定数補正について (2020)
  • Author(s): 深海雄介、飛田南斗、横山哲也、鈴木勝彦
  • Organizer: 日本地球化学会年会、オンライン
• [Presentation] 隕石の重元素同位体異常にまつわる最近の話題 (2020)
  • Author(s): 横山哲也
  • Organizer: 研究会「星の錬金術から銀河考古学へ」 、オンライン
  • Invited
• [Presentation] Recent progress in the application of nucleosynthetic isotope anomalies in meteorites (2020)
  • Author(s): Yokoyama, T.
  • Organizer: ISAS Colloquium, on-line
  • Invited
• [Presentation] ハワイ諸島産マントル捕獲岩の全岩オスミウム同位体と強親鉄性元素組成 (2020)
  • Author(s): 藤田遼, 石川晃, 横山哲也, Michael Garcia
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] ペルム紀パンサラッサ海Sr収支変化 (2020)
  • Author(s): 可児智美, 磯崎行雄, 三澤啓司, 石川晃, 米田成一
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] 太平洋赤色泥における白亜紀―古第三紀境界付近の古地磁気記録 (2020)
  • Author(s): 臼井洋一, 山崎俊嗣, 大田隼一郎, 佐藤峰南, 石川晃
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] Exploring the World’s Largest LIP: Testing the Ontong Java Nui hypothesis (2020)
  • Author(s): Sano, R., Tejada, M.L., Neal, C., Coffin, M., Nakanishi, M., Michael, P., Geldmacher, J., Hanyu, T., Miura, S., Timm, C., Koppers, A., Suetsugu, D., Tonegawa, T., Ishikawa, A., Shimizu, K., Castillo, P.
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020, On-line
• [Presentation] A Peridotite Xenolith from Garnet-Stability Field beneath Aitutaki: An Implication for Small-Scale Convection (2020)
  • Author(s): Akizawa, N., Ozawa, K., Wallis, S., Tamura, A., Ishikawa, A., Kogiso ,T.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stable Sr Isotopes of the Middle-Late Permian Carbonate: Its Implication for Driving Ocean Sr Budget Change (2020)
  • Author(s): Kani, T., Isozaki, Y., Misawa, K., Ishikawa, A., Yoneda, S.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In situ Hydrogen Isotope Analysis of Pyroxenes in Precambrian Gabbro (2020)
  • Author(s): Yagi, H., Itoh, S., Ishikawa, A., Shibuya, T., Ueno, Y.
  • Organizer: Goldschmidt Conference, On-line
  • Int'l Joint Research