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2022 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。
本研究課題では、これまでにアルミニウムと鉄を含むブリッジマナイトの中性子結晶学解析を進展させ、その結晶構造中の水素の配置と濃度を特定した。試料合成環境の整備状況を踏まえた上での次なる具体的な課題として、上部地殻内での水素ホストとして重要と考えられる、非晶質の含水シリカガラスの構造の解析を選んだ。ブリッジマナイトと含水シリカガラスは、水素イオンのホストとして高密度側と低密度側の両極端にあるので、両者の比較対照には重要な意義があると考えられる。
シリカガラスには特定の水素サイトがないので、その含水量は不定である。そこで目的の達成のためには、複数の含水量の試料をつくりわける必要がある。中性子結晶学の効果的な応用のためには、最終的には重水素化された均質な試料を解析に対応できる量だけ合成する必要がある。複数の含水量の試料をつくりわけつつ、大量に重水化合成する際の軽水素のコンタミネーションをなくすためには、温度をできるだけ抑えた上で、水素イオンのガラス内部への拡散による反応を利用する必要があると判断した。このような合成実験を実現するために、小型ピストンシリンダーを用いた高温高圧合成の環境を新たに京都大学に構築した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

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おいて、必要なレベルの進展が既に得られた。必要な量と質の含水シリカガラスをつくるための高温高圧合成の環境は京都大学においてこれまでに構築することができた。含水シリカガラスの合成は次年度に行うことが可能である。以上の状況により、全体としての進捗状況はおおむね順調と判断した。

Strategy for Future Research Activity

含水シリカガラスの合成を行った後に行う解析の手段として、中性子結晶学と相補的な役割を持つ高輝度X線による解析を併用することで、より効果的に構造解析を行うことができると考えられる。

  • Research Products

    (8 results)

All 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 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] Elasticity of Hydrated Al‐Bearing Stishovite and Post‐Stishovite: Implications for Understanding Regional Seismic <i>V</i> <sub> <i>S</i> </sub> Anomalies Along Subducting Slabs in the Lower Mantle2022

    • Author(s)
      Zhang Yanyao、Fu Suyu、Karato Shun‐ichiro、Okuchi Takuo、Chariton Stella、Prakapenka Vitali B.、Lin Jung‐Fu
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      Volume: 127 Pages: e2021JB023170

    • DOI

      10.1029/2021JB023170

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Laser-driven shock experiments of planetary silicate minerals for finding evolution history of the solar system2022

    • Author(s)
      Takuo Okuchi, Naotaka Tomioka
    • Organizer
      2022 IUCr High-Pressure Workshop "Advanced High-Pressure Crystallography"
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 水酸化鉱物の脱水時に起こる表面拡散の中性子散乱解析2022

    • Author(s)
      奥地拓生,梅田悠平,富岡尚敬,瀬戸雄介, 山田武
    • Organizer
      日本鉱物科学会2022年度年会
  • [Presentation] Hydrogen incorporation mechanism in the lower-mantle bridgmanite2022

    • Author(s)
      Narangoo Purevjav, Naotaka Tomioka, Shigeru Yamashita, Keiji Shinoda, Sachio Kobayashi, Kenji Shimizu, Motoo Ito, Suyu Fu, Jesse Gu, Christina Hoffmann, Jung-Fu Lin, Takuo Okuchi
    • Organizer
      日本鉱物科学会2022年度年会
  • [Presentation] Location, capacity and transport of hydrogen in the crystal structure of deep-earth hydrous minerals2022

    • Author(s)
      Takuo Okuchi
    • Organizer
      Goldschmidt Conference 2022 Workshop: Advanced Neutron Scattering for Earth and Planetary Science
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] High-pressure minerals in planetary materials: Witnesses of asteroid impact events2022

    • Author(s)
      Naotaka Tomioka, Masaaki Miyahara, Luca Bindi, Takuo Okuchi
    • Organizer
      23rd International Mineralogical Association General Meeting
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2023-12-25  

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