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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Ressearch on hydrogen in the deep earth by neutron crystallography and mass spectroscopy

Research Project

Project/Area Number 21H04519
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

奥地 拓生  京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (40303599)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 清水 健二  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (30420491)
富岡 尚敬  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (30335418)
伊藤 正一  京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023)
小野寺 陽平  京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (20531031)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2025-03-31
Keywords中性子結晶学 / 局所質量分析 / 透過電子顕微鏡 / 含水鉱物 / 水素
Outline of Annual Research Achievements

地球の水素は海洋水に加えて、地球内部の鉱物の結晶構造を置換する水素イオンとして存在する。実際には海洋水を超える量の水素イオンが地球内部に不均質に分布すると考えられており、それがホスト鉱物の流動特性、潤滑特性、融解温度への強い影響を通して、地震火山現象やマントルの大規模な流動現象を局所的に誘発している。存在総量や分布などにおいてはまだまだ不明な部分が多い、この地球内部水素の振る舞いを、中性子結晶学と局所質量分析の手法によって原子のスケールで理解することが本研究課題の目的である。
ここまでの研究実績としては、下部マントルの最重要鉱物であるアルミニウムと鉄を含むブリッジマナイトが、置換イオンとして含む水素の中性子結晶学解析を大きく進展させることができた。得られた結果からは、H2O換算で0.1重量%に達する量の水素イオンが、ブリッジマナイトの直方晶単位格子のb軸方向にほぼ並行な方向に共有結合と水素結合をつくり、2つの酸素と結合する方式で結晶構造に入り込むことが示された。その際には水素とアルミニウムが共同でケイ素を置換する反応が起きていた。つまり従来の見解とは異なり、水素イオンの置換によって酸素等の格子欠陥が新たに作り出されることはないので、そのような欠陥に起因する物性の変化はほとんど起こらないと考えられる。全下部マントルのブリッジマナイトが取り込むことができる水素イオンの量が、それだけで海洋水を超えることが、この解析によって明確に示された。
以上に加えて、超高圧力条件での合成に用いる大型プレスの主要構成部を新規に導入して試験的に稼働させ、合成に必要な荷重を発生できることを順調な動作によって確認した。
次年度以降においては、ブリッジマナイトの課題がほぼ解決したことを踏まえた上で、主にマントル遷移層までの圧力範囲に存在する物質に対する、中性子結晶学解析と局所質量分析の作業を進めていく。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウィルス感染症の流行及び、それに伴う資材の入手難により、超高圧力条件での合成に用いる大型プレスの主要構成部を製作して、それを京都大学に新規に導入して稼働させるまでの作業が遅延した。一方で中性子単結晶回折のデータを先に得ているブリッジマナイトの結晶構造解析に際しては、上記のように必要なレベルの進展が既に得られている。以上の状況により、全体としての進捗状況はやや遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

水素イオンを含む鉱物結晶の試料を、大型プレス以外の装置も用いることで比較的低圧の条件においても並行して合成し、それを解析することで、研究課題の進捗がやや遅れている現在の状況を取り戻していくことができると考えられる。具体的には非晶質の含水ガラスの合成と中性子結晶学による構造解析を、当初の年次進行の計画より前倒しの形で行う。この目的のためには均質なガラス試料を大量に合成する必要があるので、そのための装置の導入と整備を進める。

  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] テキサス大学/オークリッジ国立研究所/ハーバード大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      テキサス大学/オークリッジ国立研究所/ハーバード大学
  • [Int'l Joint Research] バイロイト大学(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      バイロイト大学
  • [Journal Article] High thermal conductivity of stishovite promotes rapid warming of a sinking slab in Earth's mantle2022

    • Author(s)
      Hsieh Wen-Pin、Marzotto Enrico、Tsao Yi-Chi、Okuchi Takuo、Lin Jung-Fu
    • Journal Title

      Earth and Planetary Science Letters

      Volume: 584 Pages: 117477

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2022.117477

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Natural and experimental high-pressure, shock-produced terrestrial and extraterrestrial materials2021

    • Author(s)
      Miyahara Masaaki、Tomioka Naotaka、Bindi Luca
    • Journal Title

      Progress in Earth and Planetary Science

      Volume: 8 Pages: 59

    • DOI

      10.1186/s40645-021-00451-6

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quasielastic Neutron Scattering for Analyzing Transport Dynamics of Chemically-Bound Hydrogen in Minerals2021

    • Author(s)
      OKUCHI Takuo
    • Journal Title

      Nihon Kessho Gakkaishi

      Volume: 63 Pages: 129~134

    • DOI

      10.5940/jcrsj.63.129

    • Open Access
  • [Journal Article] Structure and dynamics of hydrogen in materials of Earth and planetary interiors2021

    • Author(s)
      OKUCHI Takuo
    • Journal Title

      Japanese Magazine of Mineralogical and Petrological Sciences

      Volume: 50 Pages: 31~42

    • DOI

      10.2465/gkk.210120

    • Open Access
  • [Presentation] 非晶質シリケイト微粒子の水分子ダイナミクスの解析2022

    • Author(s)
      奥地拓生, 富岡尚敬, 瀬戸雄介, 梅田悠平, 山田武, 玉造博夢, 柴田薫
    • Organizer
      2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
  • [Presentation] 静的圧縮によるアルミニウムの微細結晶粒組織の形成2021

    • Author(s)
      田中友登, 佐野智一, 富岡尚敬, 松田朋己, 荒河一渡, 奥地拓生
    • Organizer
      第62回高圧討論会
  • [Presentation] パワーレーザー/XFEL利用によるフォルステライトの高速相転移と高速融解2021

    • Author(s)
      奥地拓生、富岡尚敬、尾崎典雅、瀬戸雄介、兒玉了祐、宮西宏併、関根利守、梅田悠平、薮内俊毅
    • Organizer
      第62回高圧討論会
    • Invited
  • [Presentation] レーザー衝撃圧縮法で再現する高速天体衝突極限環境における含水鉱物の高圧物性計測と時間分解構造観察2021

    • Author(s)
      梅田悠平、奥地拓生、関根利守、佐野孝好、犬伏雄一、片桐健登、 兒玉了祐、宮西宏併、瀬戸雄介、清水健二、篠田圭司、末田敬一、富樫格、冨岡尚敬、藪内俊毅、尾崎典雅
    • Organizer
      第62回高圧討論会
    • Invited
  • [Presentation] 隕石中の高密度ケイ酸塩の形成過程解明にむけてのレーザー衝撃圧縮時間分解X線回折2021

    • Author(s)
      富岡尚敬
    • Organizer
      第62回高圧討論会
    • Invited
  • [Presentation] 非晶質惑星物質微粒子の水和過程の中性子準弾性散乱解析2021

    • Author(s)
      奥地拓生, 富岡尚敬, 瀬戸雄介, 梅田悠平, 山田武, 玉造博夢, 柴田薫
    • Organizer
      日本中性子科学会第21回年会
  • [Presentation] Location, capacity and transport of hydrogen in the crystal structures of deep-earth hydrous minerals analyzed by pulsed neutron scattering2021

    • Author(s)
      Takuo Okuchi, Purevjav Narangoo, Naotaka Tomioka, Takeshi Yamada
    • Organizer
      10th Asian Conference on High Pressure Research
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 非晶質微粒子の高温水質変成過程の中性子準弾性散乱2021

    • Author(s)
      奥地拓生, 富岡尚敬, 瀬戸雄介, 梅田悠平, 山田武, 玉造博夢, 柴田薫
    • Organizer
      日本鉱物科学会2021年年会

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Published: 2023-12-25  

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