マルチメガバールでの超高圧実験に基づく地球の内核の不均質構造の起源

2012 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23740396
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 桑山 靖弘 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (00554015)
• Keywords: 中心核 / 高圧実験

Research Abstract

地球の中心を構成する内核内部の不均質構造、特に地震波速度の異方性や層構造を理解するためには、内核を構成する鉄合金の内核の圧力温度条件における結晶構造および弾性的性質の理解が必要不可欠である。地球の内核は主に固体の鉄-ニッケル合金からできていると考えられているが、地震波観測により得られた内核の密度と高圧下での鉄や鉄-ニッケル合金の密度を比較した研究によると、内核中には鉄やニッケルのほかに軽元素と呼ばれる鉄よりも軽い元素が数パーセント含まれていることが示唆されている。前年度までの研究では、SPring-8における放射光Ｘ線回折測定とレーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル高圧高温発生装置を用いて、鉄および鉄-ニッケル合金の詳細な結晶構造とその温度圧力依存性を調べた。また、得られた構造をもとに第一原理計算を用いて鉄および鉄-ニッケル合金の弾性定数を決定した。本年度はこの研究をさらに進め、鉄、鉄-ニッケル合金だけではなく、鉄-珪素合金についても実験を行い、結晶構造と相平衡関係、固溶量などを決定した。また、鉄-ニッケル-珪素-硫黄合金における弾性定数を推定し、実際に観測される地震波速度と比較することにより、核の組成および構造などの決定を試みた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は当初の計画通り、鉄、鉄-ニッケル合金のみならず軽元素を含む系へと実験を拡張することができた。また、超高圧における実験試料を回収し、収束イオンビーム加工機を用いて断面を研磨しながら、試料の断面の観察および組成分析を行うことにも成功した。また、当初の計画に加えて、第一原理計算と組み合わせることによりさまざまな合金の弾性定数を推定し、さらに実際の地震波速度と比較することにより内核の組成と構造のモデルを構築した。また、地球の中心温度を推定する上で、鉄合金の高圧下における融点は重要なパラメータであるが、融解試料の電子顕微鏡観察にも成功した。以上のような点より研究はおおむね順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画に沿って、鉄-ニッケル-軽元素合金の相平衡関係および結晶構造の決定をさらに進める。具体的には放射光Ｘ線その場観察により結晶構造の決定を行い、また回収試料の電子顕微鏡観察によりその組成を決定する。また、昨年度行った弾性パラメータの推定の精度をさらにあげ、実際の地震波速度と比較し、内核の構造・形成モデルの構築を行う。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

計画に基づき、鉄、鉄-ニッケル合金、鉄-ニッケル-軽元素合金の高圧高温実験を遂行するための、サンプル合成、高圧発生用のアンビルやアンビル受け台、その他ガスケット等消耗品、高温発生に用いるレーザー加熱装置の部品などに用いる。また、研究成果の学会発表のための出張費用、論文投稿費用として用いる。

Research Products

• [Journal Article] Spin transition of Fe3+ in Al-bearing post-Mg-perovskite and Fe3+-Al exchange reaction (2013)
  • Author(s): Fujino, K., Nishio-Hamane, D., Kuwayama, Y., Sata, N., Murakami, S., Whitaker, M., Shinozaki, A., Ohfuji, H., Kojima, Y., Irifune, T., Hiraoka, N., Ishii, H., Tsuei, K.-D
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 217 Pages: 31-35
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] P-V-T equation of state of MgSiO3 perovskite based on the MgO pressure scale: A comprehensive reference for mineralogy of the lower mantle (2012)
  • Author(s): Tange, Y., Kuwayama, Y., Irifune, T., Funakoshi, K., Ohishi, Y.
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 117 Pages: B06201
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Stability of iron-rich magnesiowustite in Earth's lower mantle
  • Author(s): Ohta, K., Fujino, K., Kuwayama, Y., Kondo, T., Shimizu, K., Ohishi, Y
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2012
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
• [Presentation] Melting temperature of water at high pressure measured in a laser-heated diamond anvil cell with CO2 laser,
  • Author(s): Kimura, T., Kuwayama, Y
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2012
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
• [Presentation] Solubility of silicon in hcp-iron at high pressure
  • Author(s): Kuwayama, Y.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2012
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
• [Presentation] Theoretical and experimental evidence of the densest form of titanium dioxide
  • Author(s): Dekura, H., Tsuchiya, T., Kuwayama, Y.,Tsuchiya, J.
  • Organizer: AOGS-AGU (WPGM) Joint Assembly
  • Place of Presentation: Singapore, Singapore
• [Presentation] New development of spin transition problems of iron in lower mantle minerals
  • Author(s): Fujino, K., Nishio-Hamane, D., Nagai, T., Seto, Y., Kuwayama, Y., Whitaker, M., Ohfuji, H., Shinmei, T., Irifune, T
  • Organizer: Joint 2012 COMPRES Annual Meeting and High-Pressure Mineral Physics
  • Place of Presentation: Lake Tahoe, USA
• [Book] Pyrite Phases (Pyrite-Structure Phases) as High Pressure Polymorphs of Dioxides and Other Compounds, in Pyrite: Synthesis, Characterization and Uses (Eds., Noel Whitley and Piers T. Vinsen), pp. 141-158 (2013)
  • Author(s): Y. Kuwayama
  • Total Pages: 17
  • Publisher: Nova Science Pub Inc, NY