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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Light elements in the Earth's core revealed by ultrahigh-pressure experiments

Research Project

Project/Area Number 21H04968
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

廣瀬 敬  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50270921)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 太田 健二  東京工業大学, 理学院, 准教授 (20727218)
坂本 直哉  北海道大学, 創成研究機構, 助教 (30466429)
梅本 幸一郎  東京工業大学, 地球生命研究所, 研究員 (60726991)
圦本 尚義  北海道大学, 理学研究院, 教授 (80191485)
Alfred Baron  国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, グループディレクター (90442920)
Project Period (FY) 2021-05-18 – 2026-03-31
Keywordsコア / 軽元素 / 鉄合金 / 超高圧 / ダイヤモンドセル
Outline of Annual Research Achievements

本研究の鍵となる水素を含む鉄合金系の実験を集中的に行った。Fe-FeH系はFukai (1992)以来、連続固溶体系と考えられていた。しかし本研究により、Fe-FeH系の融解開始温度が端成分FeHの融解温度よりも十分低いことが明らかとなり、>40GPaでは共融系であることが初めてわかった。さらにFe-FeH系の共融点組成(水素濃度)ならびに固体-液体鉄間の水素の分配を見積もることに成功した。共融点の水素濃度は外核中の水素量の上限を与える、外核-内核間の水素の分配が計算可能になるという意味で、これらは極めて重要な成果と言える。Fe-FeH系の共融点組成が得られたことにより、外核が軽元素に乏しい内核を結晶化するための条件が厳しくなった。そして、この条件を満たす組成範囲と、外核で観測される密度・縦波速度を説明する組成範囲がほとんど重ならない(この2つの制約を満たす組成範囲がかなり狭い)ことがわかった。さらには、本研究の技術開発の目玉であるクライオSIMSの開発に成功し、高圧下でコア(金属鉄)-マントル(シリケイト)間で水素の同位体が大きく分別する結果が得られた。これにより、地球全体の水素同位体比が推定できた上、隕石のデータと比較して地球の炭素/水素比を得ることができた。軽元素同士の大きな相互作用を考慮した、超高圧下での固体鉄(内核)と液体鉄合金(外核)の間の軽元素の分配係数も明らかになった。これらの結果を基に、外核・内核それぞれの軽元素組成を狭い範囲に絞り込むことに成功した。その他、液体鉄合金の密度・速度の測定、リキダス相関係の決定、固体鉄・鉄合金の密度・速度決定、金属-シリケイト間の軽元素分配などを精力的に進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

理由は、本研究のゴールである「コアの軽元素組成を狭い範囲に絞り込むこと」に成功したことにある。今回見積もられたコア全体の化学組成はFe0.69-0.70Ni0.04S0.02Si0.02-0.03O0.08-0.12C0.01-0.02H0.08-0.14である。このようにコアの軽元素組成が狭い範囲に制約されたことは、地球の起源(コア形成論、海の起源論、惑星起源論)に重要な貢献を果たす。加えて、今回明らかになった地球全体の水素同位体比から見て、地球に水をもたらした物質はどのタイプの隕石にも当てはまらない。このことは、地球の水の起源を見直す必要があることを意味している。コアの軽元素組成の制約は、コアのダイナミクス、惑星磁場形成メカニズム、熱的・化学的進化の理解への貢献も大きい。コアの熱伝導率は不純物(つまり軽元素)の組成に大きく左右されることがわかっている。今回推定された外核・内核それぞれの組成は水素に富んでおり、水素の不純物抵抗が小さいことから、コアの高い熱伝導率が裏付けられた。これは、液体コアが熱対流を起こすことは難しい、また内核も熱対流していないことを意味している。今回外核の化学組成が狭い範囲に絞り込まれたことを受け、コアの温度を精度良く決定できるようになった。これにより、マントル最下部に観測される超低速度領域が融解によるとすると、マントルの底に溜まった低融点物質を特定できる可能性がある。また、コアとマントル間の温度差はコアの冷却速度を決めるだけでなく、マントル対流の活発さを決めている。このようにコア温度の精密決定はマントルの熱構造や進化、ダイナミクスの理解にも大きな貢献がある。

Strategy for Future Research Activity

本研究の主目的である「コアの軽元素組成の解明」に関して、本研究ではこれまで6つの独立した制約を基に、コアの組成を狭い範囲に絞り込むことに既に成功している。今後は、未だにコア組成の探索に使用できていない3つの制約(内核の密度・縦波・横波速度)に関する研究を加速させ、内核組成、そしてそこから分配係数を使って計算される外核組成を絞り込む。同時に、現段階でコアの硫黄量の見積もりは始原的隕石の組成に基づいており、本研究が明らかにする鉄-硫黄合金の特性と地震学的観測を制約にした見積もりへと置き換える。また、地球全体の水素同位体比を説明する地球の集積モデルや水の起源に迫る。

より具体的には、液体鉄合金の密度決定をコア圧力下へと圧力範囲を伸ばす。液体Fe-Hの縦波速度の測定を開始し、外核の主要な軽元素である水素と酸素の密度と速度への効果を定量化する。クライオSIMSを用いて、水素を含む鉄合金の状態図の作成をさらに進める。熱力学モデルの構築にも力を注ぐ。内核条件下での固体鉄合金の密度・速度の第一原理計算を加速させて、地震波観測を説明する、内核組成の可能な軽元素組成を広く探索する。固体鉄と鉄合金の速度については、スプリングエイトと東工大で高圧高温の測定を進める。これら実験データを使って理論計算結果の圧力を補正し、より確かな内核組成の制約を行う。液体金属から固体鉄への軽元素の分配については、鍵となる水素の分配の、共存する他の軽元素の影響を調べる。これによって、化学平衡にある内核組成と外核組成の関係を明らかにし、内核組成の制約を外核組成の制約に活かす。これらの結果を用いて、可能なコアの軽元素組成の範囲を常に見直していく。

  • Research Products

    (40 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (32 results) (of which Int'l Joint Research: 18 results,  Peer Reviewed: 32 results,  Open Access: 11 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Book (2 results)

  • [Int'l Joint Research] The Universite Grenoble Alpes(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      The Universite Grenoble Alpes
  • [Int'l Joint Research] Columbia University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Columbia University
  • [Journal Article] Magnetism and equation of states of fcc FeHx at high pressure2023

    • Author(s)
      Gomi, H., Hirose, K.
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 108 Pages: 2043~2050

    • DOI

      10.2138/am-2022-8452

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from returned samples2023

    • Author(s)
      Nakamura T.、Matsumoto M.、Amano K.、(Yurimoto H.221名中148番目)
    • Journal Title

      Science

      Volume: 379 Pages: 379

    • DOI

      10.1126/science.abn8671

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Noble gases and nitrogen in samples of asteroid Ryugu record its volatile sources and recent surface evolution2023

    • Author(s)
      Okazaki Ryuji、Marty Bernard、Busemann Henner、(Yurimoto Hisayoshi 123名中47番目)
    • Journal Title

      Science

      Volume: 379 Pages: eabo04

    • DOI

      10.1126/science.abo0431

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dynamic Lone Pair Expression as Chemical Bonding Origin of Giant Phonon Anharmonicity in Thermoelectric InTe2023

    • Author(s)
      Zhang Jiawei、Ishikawa Daisuke、Koza Michael M.、Nishibori Eiji、Song Lirong、Baron Alfred Q. R.、Iversen Bo B.
    • Journal Title

      Angewandte Chemie

      Volume: 135 Pages: e202218458

    • DOI

      10.1002/ange.202218458

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Background rates in several hard X-ray photon counting pixel array detectors2023

    • Author(s)
      Baron Alfred Q.R.、Ishikawa Daisuke
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1049 Pages: 168101~168101

    • DOI

      10.1016/j.nima.2023.168101

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Soluble organic molecules in samples of the carbonaceous asteroid (162173) Ryugu2023

    • Author(s)
      Naraoka Hiroshi、Takano Yoshinori、Dworkin Jason P.、(Yurimoto Hisayoshi 115名中34番目)、(Sakamoto Kanako 115名中39番目)
    • Journal Title

      Science

      Volume: 379 Pages: eabn9033

    • DOI

      10.1126/science.abn9033

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Macromolecular organic matter in samples of the asteroid (162173) Ryugu2023

    • Author(s)
      Yabuta Hikaru、Cody George D.、Engrand Cecile、(Yurimoto Hisayoshi 130名中39番目)、(Sakamoto Kanako 130名中43番目)
    • Journal Title

      Science

      Volume: 379 Pages: eabn9057

    • DOI

      10.1126/science.abn9057

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Composition-dependent thermal equation of state of B2 Fe-Si alloys at high pressure2023

    • Author(s)
      Yokoo Shunpei、Edmund Eric、Morard Guillaume、Baron Marzena Anna、Boccato Silvia、Decremps Frederic、Hirose Kei、Pakhomova Anna、Antonangeli Daniele
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 108 Pages: 536~542

    • DOI

      10.2138/am-2022-8067

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Samples returned from the asteroid Ryugu are similar to Ivuna-type carbonaceous meteorites2023

    • Author(s)
      Yokoyama Tetsuya、Nagashima Kazuhide、Nakai Izumi、(Sakamoto Kanako 149名中75番目)、(Yurimoto Hisayoshi 149名中75番目)
    • Journal Title

      Science

      Volume: 379 Pages: eabn7850

    • DOI

      10.1126/science.abn7850

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Collective excitations in a melt of fast phase change material GeCu2Te32023

    • Author(s)
      Inui M、Hosokawa S、Tsutsui S、Nakajima Y、Matsuda K、Maruyama K、Baron A Q R
    • Journal Title

      Journal of Physics: Condensed Matter

      Volume: 35 Pages: 234002~234002

    • DOI

      10.1088/1361-648X/acc2ff

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation of chemical interaction and melting using laser-heated diamond-anvil cell2023

    • Author(s)
      Fei, Y., Walter, M., Badro, J., Hirose, K., Lord, O., Campbell, A., Ohtani, E.,
    • Journal Title

      Static and Dynamic High Pressure Mineral Physics

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1017/9781108806145

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Compressional wave velocity for iron hydrides to 100 gigapascals via picosecond acoustics2022

    • Author(s)
      Wakamatsu Tatsuya、Ohta Kenji、Tagawa Shoh、Yagi Takashi、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
    • Journal Title

      Physics and Chemistry of Minerals

      Volume: 49 Pages: article id.17

    • DOI

      10.1007/s00269-022-01192-8

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Melting experiments on Fe-C-O to 200?GPa; liquidus phase constraints on core composition2022

    • Author(s)
      Sakai F.、Hirose K.、Umemoto K.
    • Journal Title

      Geochemical Perspectives Letters

      Volume: 22 Pages: 1~4

    • DOI

      10.7185/geochemlet.2218

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Calculating temperature-dependent X-ray structure factors of α-quartz with an extensible Python 3 package2022

    • Author(s)
      Sutter John P.、Pittard James、Filik Jacob、Baron Alfred Q. R.
    • Journal Title

      Journal of Applied Crystallography

      Volume: 55 Pages: 1011~1028

    • DOI

      10.1107/S1600576722005945

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High‐Pressure Melting Curve of FeH: Implications for Eutectic Melting Between Fe and Non‐Magnetic FeH2022

    • Author(s)
      Tagawa Shoh、Helffrich George、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      Volume: 127 Pages: e2022JB024365

    • DOI

      10.1029/2022JB024365

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Melting phase relations in Fe-Si-H at high pressure and implications for Earth’s inner core crystallization2022

    • Author(s)
      Hikosaka Koutaro、Tagawa Shoh、Hirose Kei、Okuda Yoshiyuki、Oka Kenta、Umemoto Koichiro、Ohishi Yasuo
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Pages: 10000

    • DOI

      10.1038/s41598-022-14106-z

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A cotunnite-type new high-pressure phase of Fe2S2022

    • Author(s)
      Oka Kenta、Tateno Shigehiko、Kuwayama Yasuhiro、Hirose Kei、Nakajima Yoichi、Umemoto Koihiro、Tsujino Noriyoshi、Kawaguchi Saori I.
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 107 Pages: 1249~1253

    • DOI

      10.2138/am-2022-7959

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Density determination of liquid iron-nickel-sulfur at high pressure2022

    • Author(s)
      Kawaguchi Saori I.、Morard Guillaume、Kuwayama Yasuhiro、Hirose Kei、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 107 Pages: 1254~1261

    • DOI

      10.2138/am-2021-7924

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Sound Velocity Measurements of B2‐Fe‐Ni‐Si Alloy Under High Pressure by Inelastic X‐Ray Scattering: Implications for the Composition of Earth's Core2022

    • Author(s)
      Dominijanni S.、McCammon C. A.、Ohtani E.、Ikuta D.、Sakamaki T.、Ishii T.、Criniti G.、Dubrovinsky L. S.、Khandarkhaeva S.、Fedotenko T.、Glazyrin K.、Uchiyama H.、Fukui H.、Baron A. Q. R.
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 49 Pages: e2021GL096405

    • DOI

      10.1029/2021GL096405

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Formation and decomposition of vacancy-rich clinopyroxene in a shocked eucrite: New insights for multiple impact events2022

    • Author(s)
      Zhang Ai-Cheng、Li Jie-Ya、Chen Jia-Ni、Wen Yuan-Yun、Guo Yan-Jun、Li Yang、Sakamoto Naoya、Yurimoto Hisayoshi
    • Journal Title

      Geochimica et Cosmochimica Acta

      Volume: 329 Pages: 38~50

    • DOI

      10.1016/j.gca.2022.05.017

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Single crystal elasticity and equation of state of tantalum up to 54 GPa2022

    • Author(s)
      Fukui Hiroshi、Yoneda Akira、Kamada Seiji、Uchiyama Hiroshi、Hirao Naohisa、Baron Alfred Q. R.
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 132 Pages: 055902~055902

    • DOI

      10.1063/5.0089667

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Presolar Stardust in Asteroid Ryugu2022

    • Author(s)
      Barosch Jens、Nittler Larry R.、Wang Jianhua、(Yurimoto Hisayoshi 124名中124番目)
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal Letters

      Volume: 935 Pages: L3~L3

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ac83bd

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Melting Experiments on Fe‐O‐H and Fe‐H: Evidence for Eutectic Melting in Fe‐FeH and Implications for Hydrogen in the Core2022

    • Author(s)
      Oka Kenta、Ikuta Nagi、Tagawa Shoh、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 49 Pages: e2022GL099420

    • DOI

      10.1029/2022GL099420

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The Solar System calcium isotopic composition inferred from Ryugu samples2022

    • Author(s)
      Moynier F.、Dai W.、Yokoyama T.、(Yurimoto H.94名中94番目)
    • Journal Title

      Geochemical Perspectives Letters

      Volume: 24 Pages: 1~6

    • DOI

      10.7185/geochemlet.2238

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effects of molecular shape and flexibility on fast sound of organic liquids2022

    • Author(s)
      Yamaguchi Tsuyoshi、Yoshida Koji、Hosokawa Shinya、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 157 Pages: 154504~154504

    • DOI

      10.1063/5.0107387

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ryugu’s nucleosynthetic heritage from the outskirts of the Solar System2022

    • Author(s)
      Hopp Timo、Dauphas Nicolas、Abe Yoshinari、(Yurimoto Hisayoshi92名中92番目)
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: eadd814

    • DOI

      10.1126/sciadv.add8141

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High‐P‐T impedance measurements using a laser-heated diamond anvil cell2022

    • Author(s)
      Okuda Yoshiyuki、Oka Kenta、Kubota Yusuke、Inada Mako、Kurita Naoki、Ohta Kenji、Hirose Kei
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 93 Pages: 105103~105103

    • DOI

      10.1063/5.0097883

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Oxygen isotope exchange kinetics between CAI melt and carbon monoxide gas: Implication for CAI formation in the earliest Solar System2022

    • Author(s)
      Yamamoto Daiki、Kawasaki Noriyuki、Tachibana Shogo、Kamibayashi Michiru、Yurimoto Hisayoshi
    • Journal Title

      Geochimica et Cosmochimica Acta

      Volume: 336 Pages: 104~112

    • DOI

      10.1016/j.gca.2022.09.006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sound velocity of hexagonal close-packed iron to the Earth’s inner core pressure2022

    • Author(s)
      Ikuta Daijo、Ohtani Eiji、Fukui Hiroshi、Sakai Takeshi、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Pages: 7211

    • DOI

      10.1038/s41467-022-34789-2

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Contribution of Ryugu-like material to Earth’s volatile inventory by Cu and Zn isotopic analysis2022

    • Author(s)
      Paquet Marine、Moynier Frederic、Yokoyama Tetsuya、(Yurimoto Hisayoshi 94名中94番)
    • Journal Title

      Nature Astronomy

      Volume: 7 Pages: 182~189

    • DOI

      10.1038/s41550-022-01846-1

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Oxygen isotopes of anhydrous primary minerals show kinship between asteroid Ryugu and comet 81P/Wild22022

    • Author(s)
      Kawasaki Noriyuki、Nagashima Kazuhide、Sakamoto Naoya、(Yurimoto Hisayoshi 94名中94番)
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: eade20

    • DOI

      10.1126/sciadv.ade2067

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Viscosity of Earth’s inner core constrained by Fe-Ni interdiffusion in Fe-Si alloy in an internal-resistive-heated diamond anvil cell2022

    • Author(s)
      Park, Y., Yonemitsu, K., Hirose, K., Kuwayama, Y., Azuma, S., Ohta, K.,
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.2138/am-2022-8541

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] The Fe-FeH Phase Diagram and Implications for Hydrogen in the Core2022

    • Author(s)
      Kei Hirose
    • Organizer
      AGU Fall Meeting 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measuring the electrical resistivity of liquid iron at the pressures of planetary cores2022

    • Author(s)
      Ohta, K., Suehiro, S., Kawaguchi, S., Okuda, Y., Wakamatsu, T., Hirose, K., Ohishi, Y., Kodama, M., Hirai, S., & Azuma, S.
    • Organizer
      SEDI2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hydrodynamic Interaction Between Quasi-elastic and Acoustic Modes2022

    • Author(s)
      Alfred Q.R. Baron
    • Organizer
      18th International Conference on Liquids and Amorphous Metals (LAM-18)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Evidence from CAI anatomy and CAI formation requirements for Solar nebula2022

    • Author(s)
      Yurimoto, H.
    • Organizer
      日本質量分析学会同位体比部会 2022
    • Invited
  • [Book] 地球の中身 何があるのか、何が起きているのか2022

    • Author(s)
      廣瀬 敬
    • Total Pages
      324
    • Publisher
      講談社
    • ISBN
      978-4-06-526660-1
  • [Book] 地球を掘りすすむと何があるか2022

    • Author(s)
      廣瀬 敬
    • Total Pages
      192
    • Publisher
      河出書房新社
    • ISBN
      978-4-309-50437-7

URL: 

Published: 2023-12-25  

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