高温高圧下における鉄合金の音速・密度測定と融解関係の解明

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25800292
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 坂巻 竜也 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (30630769)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 地球科学 / 高圧 / 高温 / 鉄 / 地球核 / 内核 / 音速 / 密度

Outline of Annual Research Achievements

地球の最深部は内核と呼ばれ、主に鉄から成ることが知られています。本研究では、地球内部のような高温高圧条件下での鉄の性質を調べるべく、ダイアモンドアンビルセルを用いた高圧発生とレーザー加熱システムによる高温発生を組み合わせることにより、163万気圧・3000ケルビンまでの圧力温度を達成しました。本研究では、その極限条件下での鉄の性質を調べるためにX線を利用しました。測定対象にX線を照射し、そこから散乱されたX線を調べることで物質の状態を知ることができます。この点に着目して兵庫県にある大型放射光施設SPring-8のビームラインBL35XUでX線を活用した実験に取り組みました。実験は、X線回折（実験試料で散乱されたX線の角度から原子の距離を決める手法）とX線非弾性散乱（入射するX線と散乱されたX線のエネルギー差の測定により弾性波を測定する手法）の2つの測定技術を組み合わせることで遂行し、世界最高の圧力と温度条件下における純鉄の縦波速度と密度を同時に決定することに成功しました。
実験で得られた結果を地震波観測データと直接比較すると、密度だけではなく地球内核条件での鉄の縦波速度も、実際の地球内核より高い値を示すことが明らかになりました。つまり、内核中に含まれている鉄以外の元素は、鉄の縦波速度と密度を共に減少させなければなりません。これは地球内核の組成に制約を与える上で極めて重要な研究成果です。地球化学的な知見と組み合わせることで、地球内核に含まれる軽元素としては、水素・珪素・硫黄である可能性が高いことを突き止めました。

Research Products

• [Journal Article] Constraints on Earth’s inner core composition inferred from measurements of the sound velocity of hcp-iron in extreme conditions (2016)
  • Author(s): T. Sakamaki, E. Ohtani, H. Fukui, S. Kamada, S. Takahashi, T. Sakairi, A. Takahata, T. Sakai, S. Tsutsui, S. Ishikawa, R. Shiraishi, Y. Seto, T. Tsuchiya, A. Q. R. Baron
  • Journal Title: Science Advances Volume: 2 Pages: 1-6
  • DOI: doi:10.1126/sciadv.1500802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Magma in the Earth’s Interior (2015)
  • Author(s): T. Sakamaki
  • Journal Title: The Review of High Pressure Science and Technology Volume: 25 Pages: 165-171
  • DOI: doi:10.4131/jshpreview.25.165
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sound velocity of iron alloys at the extreme pressures and temperatures, and implications for sound velocity anomalies at the inner core boundary (2015)
  • Author(s): E. Ohtani, T. Sakamaki, H. Fukui, S. Kamada
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 1 Pages: 1-1
• [Journal Article] Density and sound velocity measurements of liquid Fe-alloys up to 10 GPa using X-ray imaging absorption and ultrasonic methods (2015)
  • Author(s): H. Terasaki, Y. Shimoyama, F. Kurokawa, K. Nishida, Y. Shibasaki, T. Sakamaki, S. Urakawa, Y. Higo, Y. Tange
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 1 Pages: 1-1
• [Journal Article] Study of physical properties of the core and lower mantle materials using synchrotron Mössbauer and X-ray diffraction method (2015)
  • Author(s): E. Ohtani, T. Sakamaki, S. Kamada, N. Suzuki, M. Hamada, F. Maeda, T. Sakairi
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 1 Pages: 1-1
• [Journal Article] Inelastic X-ray scattering experiment of iron-alloy under Earth’s core condition, and constraining the composition of Earth’s inner core (2015)
  • Author(s): T. Sakamaki, E. Ohtani, H. Fukui, S. Kamada, T. Sakairi, A. Q. R. Baron
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 1 Pages: 1-1
• [Journal Article] Sound velocity of hcp-iron alloy at very high temperature and high pressure, and implications for sound velocity anomalies at the inner core voundary (2015)
  • Author(s): E. Ohtani, T. Sakamaki, H. Fukui, S. Kamada, T. Sakairi, F. Maeda, H. Terasaki
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 1 Pages: 1-1
• [Presentation] Pressure-induced change of iron electronic environment in basaltic glass (2016)
  • Author(s): F. Maeda, S. Kamada, E. Ohtani, N. Suzuki, T. Sakamaki, N. Hirao, T. Mitsui, R. Masuda, S. Nakano
  • Organizer: 13th International Workshop on WATER DYNAMICS
  • Place of Presentation: 東北大学（仙台）
  • Year and Date: 2016-03-15 – 2016-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Melting relation in the Fe-S-Si system under the condition of Mercury’s core (2016)
  • Author(s): H. Tobe, A. Suzuki, Y. Shibazaki, T. Sakamaki, E. Ohtani
  • Organizer: 13th International Workshop on WATER DYNAMICS
  • Place of Presentation: 東北大学（仙台）
  • Year and Date: 2016-03-15 – 2016-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Partition experiment between solid and liquid metal in the Fe-Ni-O-S-Si system (2016)
  • Author(s): R. Tanaka, E. Ohtani, S. Kamada, T. Sakamaki, S. Ozawa
  • Organizer: 13th International Workshop on WATER DYNAMICS
  • Place of Presentation: 東北大学（仙台）
  • Year and Date: 2016-03-15 – 2016-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Metal partitioning in ultra-high temperature and high pressure conditions (2016)
  • Author(s): S. Sato, E. Ohtani, S. Kamada, S. Ozawa, T. Sakamaki
  • Organizer: 13th International Workshop on WATER DYNAMICS
  • Place of Presentation: 東北大学（仙台）
  • Year and Date: 2016-03-15 – 2016-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Core formation process and light elements in the planetary core (2015)
  • Author(s): E. Ohtani, T. Sakairi, K. Watanabe, S. Kamada, T. Sakamaki, N. Hirao
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2015
  • Place of Presentation: サンフランシスコ（アメリカ）
  • Year and Date: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ density and thermal expansion measurements of Fe and Fe-S alloying liquids under planetary core condition (2015)
  • Author(s): Z. Jing, J. Chantel, T. Yu, T. Sakamaki, Y. Wang
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2015
  • Place of Presentation: サンフランシスコ（アメリカ）
  • Year and Date: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高温高圧下での非弾性X 線散乱による鉄-ニッケル合金の音速測定 (2015)
  • Author(s): 坂巻竜也、大谷栄治、福井宏之、鎌田誠司、坂入崇紀、筒井智嗣、アルフレッド・バロン
  • Organizer: 第56回高圧討論会
  • Place of Presentation: JMSアステールプラザ（広島）
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] 下部マントル条件下における玄武岩質ガラスの放射光メスバウアー分光測定 (2015)
  • Author(s): 前田郁也、大谷栄治、鎌田誠司、坂巻竜也、鈴木那奈美、平尾直久、大石泰生、三井隆也、増田亮、中野 智志
  • Organizer: 第56回高圧討論会
  • Place of Presentation: JMSアステールプラザ（広島）
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] 超音波法を用いた高温高圧下での固体鉄の弾性波速度・密度測定 (2015)
  • Author(s): 柴崎裕樹、西田圭佑、肥後祐司、五十嵐愛子、田原政紀、坂巻竜也、寺崎英紀、下山裕太、田窪勇作、桑原壮馬、大谷 栄治
  • Organizer: 第56回高圧討論会
  • Place of Presentation: JMSアステールプラザ（広島）
  • Year and Date: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [Presentation] 核の形成過程と核の軽元素 (2015)
  • Author(s): 大谷栄治、渡邉虹水、坂入崇紀、鎌田誠司、坂巻竜也、平尾直久、大石泰生
  • Organizer: 日本鉱物科学会2015年年会
  • Place of Presentation: 東京大学（東京）
  • Year and Date: 2015-09-25 – 2015-09-27
• [Presentation] 超高温高圧下における鉄合金の音速測定 (2015)
  • Author(s): 坂巻竜也
  • Organizer: 地球惑星科学研究会、高圧物質科学研究会、機能性材料ナノスケール原子相関研究会合同研究会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡）
  • Year and Date: 2015-09-12 – 2015-09-13
  • Invited
• [Presentation] Development of sound velocity and density measurement for liquid Fe-alloys using multi-anvil apparatus up to 11 GPa (2015)
  • Author(s): H. Terasaki, Y. Shimoyama, Y. Takubo, S. Kuwabara, K. Nishida, Y. Higo, S. Urakawa, S. Kishimoto, Y. Shibazaki, T. Sakamaki, M. Tahara, M. Igarashi, T. Wataniki, A. Machida, Y. Tange, Y. Katayama, T. Kondo
  • Organizer: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53 Conference
  • Place of Presentation: マドリッド（スペイン）
  • Year and Date: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electronic environment of iron in basaltic glass at high pressure (2015)
  • Author(s): F. Maeda, E. Ohtani, S. Kamada, T. Sakamaki, N. Suzuki, N. Hirao, Y. Ohishi, T. Mitsui, R. Masuda
  • Organizer: Advances in High Pressure Reserch II: Deepest Understanding
  • Place of Presentation: ノボシビルスク（ロシア）
  • Year and Date: 2015-08-29 – 2015-09-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Contrasting viscosity and structure between anorthite and albite melts (2015)
  • Author(s): T. Sakamaki, Y. Kono
  • Organizer: Goldshmidt2015
  • Place of Presentation: プラハ（チェコ）
  • Year and Date: 2015-08-16 – 2015-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity of iron alloys and composition of the core (2015)
  • Author(s): E. Ohtani, T. Sakamaki, S. Kamada, Y. Shibazaki, S. Takahashi, H. Fukui, S. Tsutsui, A. Q. Baron
  • Organizer: Goldshmidt2015
  • Place of Presentation: プラハ（チェコ）
  • Year and Date: 2015-08-16 – 2015-08-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Viscosity and structure of anorthite melt under high pressure and high temperature conditions (2015)
  • Author(s): T. Sakamaki, Y. Kono
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2015
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉）
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin state of iron in MORB glass up to the lowermost mantle conditions (2015)
  • Author(s): F. Maeda, E. Ohtani, S. Kamada, N. Suzuki, T. Sakamaki, N. Hirao, Y. Ohishi, T. Mitsui, R. Masuda
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2015
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉）
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Melting relationships in the Fe-S-Si system at high pressure and temperature (2015)
  • Author(s): T. Sakairi, E. Ohtani, T. Sakai, S. Kamada, T. Sakamaki, N. Hirao
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2015
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉）
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of Ni and C on sound velocity of liquid Fe at high pressure (2015)
  • Author(s): S. Kuwabara, H. Terasaki, Y. Shimoyama, K. Nishida, Y. Higo, Y. Takubo, Y. Shibazaki, M. Tahara, M. Igarashi, T. Sakamaki, Y. Tange, T. Kondo
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2015
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉）
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity measurements of solid iron under high pressure and high temperature using an ultrasonic method (2015)
  • Author(s): Y. Shibazaki, K. Nishida, Y. Higo, M. Igarashi, M. Tahara, T. Sakamaki, H. Terasaki, Y. Shimoyama, S. Kuwabara, Y. Takubo, E. Ohtani
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2015
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉）
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-28
  • Int'l Joint Research