2013 Fiscal Year Annual Research Report
マルチメガバール領域における基礎物性データの取得～地球からスーパーアースへ
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23684038
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
境 毅 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (90451616)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 惑星内部構造 / スーパーアース / 超高圧物性 / 物性実験 / 固体地球物理学 |
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| Research Abstract |
地球型惑星の核の主要構成物質であるFeおよびFe0.9Ni0.1合金の状態方程式について先行研究との比較や種々のエラーの検討など、詳細な議論を行った。圧力スケールの問題を加味すると、329 GPa, 5000 KにおいてFe0.9Ni0.1合金はFeに比べて7.3-7.8%ほど小さな体積弾性率を示す。また同条件において、地球の内核の密度は、Feに対しては3.4(1)-5.1(1)%、Fe0.9Ni0.1合金に対しては4.7(1)-6.5(2)%小さいことが分かった。この内容は国際誌(Physics of the Earth and Planetary Interiors)に掲載された。新たに確立されたFeおよびFe0.9Ni0.1合金の状態方程式と、これまでに報告したFe-Ni-Si合金(Asanuma et al. 2011)やFe-Ni-S合金の状態方程式(Sakai et al. 2012)とを比較し地球に応用すると、Ni 5wt.%の時に硫黄であれば7.5(4) wt.%、ケイ素であれば6.2(3) wt.%の量が固溶することで地球内核の密度を説明できる。
一方、マントル側のケイ酸塩においてAl成分が物性に与える効果をみるためにMg3Al2(SiO4)3パイロープ組成のポストペロブスカイト相を185 GPa, 3000 Kにおいて合成した。185 GPaにおけるMgSiO3およびAl2O3組成のポストペロブスカイト相と体積を比較すると、MgSiO3単成分(Al2O3成分0%)を基準としたとき、パイロープ組成(Al2O3成分25%)は+0.1%、Al2O3単成分(Al2O3成分100%)は+0.6%となった。ここでAl2O3成分が増加するにしたがって、体積が増加する関係が見て取れるが、その関係は単純な線形関係ではなく、やや下に凸の放物線を描くことが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
申請時の年度目標であったFe-Ni-Si合金(Asanuma et al. 2011)やFe-Ni-S合金の状態方程式(Sakai et al. 2012)についてはすでに国際誌に結果を報告している。これらの論文の議論の中で、むしろ基本となるFeやFe-Ni合金についての研究が先行研究では不十分であったことから、これらの物質について新規に約300GPaまでの状態方程式を確立した。この結果は地球はもちろん他の惑星にも適用可能である。
本年度目標であったマントル側のケイ酸塩においてAl成分が物性に与える効果をみるためにMg3Al2(SiO4)3パイロープ組成のポストペロブスカイト相を185 GPa, 3000 Kにおいて合成し、X線回折実験により格子体積を決定した。これまでに得られているMgSiO3やAl2O3の結果と比較し、Al成分が体積に与える影響を明らかにした。
MgSiO3単成分については第一原理計算による状態方程式を得た（共同研究の成果）。この結果を、実験の結果と比較したところ1 TPaまで整合的であることが分かった。これらの成果は研究開始当初の計画には無く予定していなかった成果であり、第54回高圧討論会で発表した。
また、地球より大きな惑星内部を研究するためにさらなる高圧力の発生を目的とした技術開発を行った。ナノ多結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドを集束イオンビーム加工装置で加工し、30ミクロン程度のマイクロアンビルを作成した。これをダイヤモンドアンビルセル内に封入して加圧する2段式加圧法を開発した。試行段階において既に337GPaまでの圧力発生に成功している。今後の改良によりさらなる高圧力発生が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
Mg3Al2(SiO4)3パイロープ組成のポストペロブスカイト相のさらに高圧力までの圧縮実験を行い、状態方程式を得る。そこから体積弾性率などの物性値を導き出し、MgSiO3単成分やAl2O3単成分の場合と比較し、Al成分が物性に与える影響について考察する。
マイクロアンビルを用いた2段式加圧法の開発を引き続き行い、封圧の向上、ナノ多結晶ダイヤモンドの粒径の最適化などを通して、これまでのダイヤモンドアンビルセルでは不可能であったさらなる高圧力発生を目指す。
これまでに得られたMgO, Al2O3, MgSiO3, Mg3Al2(SiO4)3, Fe, Fe0.9Ni0.1の状態方程式をもとに、他のSiO2や鉄成分に関する議論を考慮しつつ、単純な組成でのスーパーアースを仮定し、その内部構造、密度分布、惑星サイズなどについて議論する。これまで全くなかった300GPa領域での実験データに基づいた実験的モデルを提唱することを目的とする。
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Research Products
(23 results)
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[Journal Article] The sound velocity measurements of Fe3S2014
Author(s)
Kamada, S., E. Ohtani, H. Fukui, T. Sakai, H. Terasaki, S. Takahashi, Y. Shibazaki, S. Tsutsui, A. Q. R. Baron, N. Hirao, and Y. Ohishi
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Journal Title
American Mineralogist
Volume: 99
Pages: 98-101
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Sound velocity of hexagonal close-packed iron up to core pressures2013
Author(s)
Ohtani, E., Y. Shibazaki, T. Sakai, K. Mibe, H. Fukui, S. Kamada, T. Sakamaki, Y. Seto, S. Tsutsui, and A. Q. R. Baron
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Journal Title
Geophysical Research Letters
Volume: 40
Pages: 1-6
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Sound velocity of iron up to 160 Gigapascals and 3000 Kelvin2014
Author(s)
Sakamaki T, Ohtani E., Fukui H., Kamada S., Takahashi S., Sakairi T., Takahata A., Sakai, T.., Tsutsui S., Baron A. Q. R.
Organizer
Workshop on Elasticity and Iron
Place of Presentation
Hyogo, Japan
Year and Date
20140225-20140227
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[Presentation] Stability and melting relations of Fe3C up to 3 Mbar: Implication for the carbon in the Earth's inner core2013
Author(s)
Takahashi, S., Ohtani, E., Sakai, T.., Mashino, I., Kamada, S., Miyahara, M., Sakamaki, T., Hirao, N. and Ohishi, Y.
Organizer
AGU Fall Meeting 2013
Place of Presentation
San Francisco, USA
Year and Date
20131209-20131213
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[Presentation] Amount of sulfur in the inner core based on sound velocities and EOS of Fe3S at high pressures2013
Author(s)
Kamada, S., Ohtani, E., Terasaki, H., Sakai, T.., Fukui, H., Takahashi, S., Baron, A. Q. R., Hirao, N. and Ohishi, Y.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2013
Place of Presentation
Chiba, Japan
Year and Date
20130520-20130525
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[Presentation] Evidence for a dynamic event recorded in HED meteorites2013
Author(s)
Miyahara, M., Ohtani, E., Yamaguchi, A., Ozawa, S., Sakai, T.., and Hirao, N.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2013
Place of Presentation
Chiba, Japan
Year and Date
20130520-20130525
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[Presentation] Sound velocity of iron-light-element alloys at high pressure and temperature and composition and thermal state of the inner core2013
Author(s)
Ohtani, E., Sakai, T.., Kamada, S., Sakamaki, T., Mibe, K., Shibazaki, Y., Fukui, H., Tsutsui, S. and Baron, A. Q. R.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2013
Place of Presentation
Chiba, Japan
Year and Date
20130520-20130525
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[Presentation] Melting relation in the Fe-S-Si system at high pressure and temperature: Implications for the Earth's core2013
Author(s)
Sakairi, T., Ohtani, E., Sakai, T.., Kamada, S., Miyahara, M., Hirao, N. and Ohishi, Y.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2013
Place of Presentation
Chiba, Japan
Year and Date
20130520-20130525
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