地球内核の組成と異方性の解明

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science
• Project/Area Number: 16H01112
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 坂巻 竜也 東北大学, 理学研究科, 助教 (30630769)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 地球核 / 高圧 / 高温 / 音速 / 密度

Outline of Annual Research Achievements

X線非弾性散乱測定を大型放射光施設SPring-8にあるビームラインBL35XUとBL43LXUで実施した。高圧発生にはダイアモンドアンビルセルを用い、高温実験の場合はレーザー加熱システムを利用した。本年度は特に鉄(hcp-Fe)、酸化鉄(FeO)、鉄-ニッケル-珪素合金(Fe-Ni-Si)を対象とした研究に重点を置いた。
鉄(hcp-Fe)：先端径40ミクロンのダイアモンドアンビルを利用することでX線非弾性散乱では世界最高圧力である250万気圧の条件下で音速測定に成功した。バーチ則がこの条件まで保たれていることを確認すると共により高精度な鉄の音速-密度関係を示すことができた。
酸化鉄(FeO)：FeOの音速は、鉄合金より速く、珪酸塩鉱物より遅いという中間的な特徴を示すことを明らかにした。つまり、内核中にFeOが含まれていると地震学的観測データと合わないため、FeOが内核中に存在していないことが分かり、核形成時の全酸素量の上限に制約を与えることができた。さらに地球の下部マントルを構成している珪酸塩鉱物よりも音速が遅いことから、最下部マントルに観測される地震波低速度異常がFeOの存在によってもたらされている可能性を示唆した。
鉄-ニッケル-珪素合金(Fe-Ni-Si)：地球核中に含まれてると考えられているニッケルや珪素が鉄に及ぼす効果を測定によって定量的に理解することに成功し、内核組成に制約を与えることが可能となった。固液間の元素分配を考慮することで、外核・全核組成の見積もりもでき、初期地球における核形成の環境の推定に繋がる極めて重要な研究成果である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の目的通り200万気圧を超える世界最高圧力条件下でX線被弾散乱による鉄の音速測定に成功しているため。

Strategy for Future Research Activity

前年と同様に大型放射光施設SPring-8のBL35XUとBL43LXUにおいて鉄・鉄合金の音速・密度同時測定を遂行する。地球内核条件を再現した300万気圧を超える条件下での測定を目指す。得られた鉄の音速-密度データと地震学的モデルを比較することで、観測されている内核の密度-音速を満たす鉄＋軽元素の組み合わせを見つけ出し、地球内核組成に対する制約を与える。さらに鉄試料の選択配向と速度異方性の関連性を明らかにし、現在観測されている内核の異方性を解釈するための新たなモデルを提案する。
上記で得られた研究成果は国内外の学会で発表し、さらに専門誌へ論文投稿する。

Research Products

• [Journal Article] Diamond formation in the deep lower mantle: a high-pressure reaction of MgCO3 and SiO2 (2017)
  • Author(s): Maeda, F., Ohtani, E., Kamada, S., Sakamaki, T., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7:40602 Pages: 1-7
  • DOI: DOI:10.1038/srep40602
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Melting relations in the Fe-S-Si system at high pressure and temperature: Implications for the planetary core (2017)
  • Author(s): Sakairi, T., Ohtani, E., Kamada, S., Sakai, T., Sakamaki, T., Hirao, N.
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 4:10 Pages: 1-11
  • DOI: DOI 10.1186/s40645-017-0125-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 高圧下でのマグマ物性：地球深部でのマグマの挙動解明 (2017)
  • Author(s): 坂巻竜也
  • Journal Title: 岩石鉱物科学 Volume: 46巻 Pages: 30-34
  • DOI: doi: 10.2165/gkk.160803
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preface for the article collection “High-Pressure Earth and Planetary Science in the last and next decade” (2016)
  • Author(s): Sakamaki, T., Suzuki, A., Mysen, B.
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 3:38 Pages: 1-3
  • DOI: DOI 10.1186/s40645-016-0114-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic and spin transitions in wüstite: A synchrotron Mössbauer spectroscopic study (2016)
  • Author(s): Hamada, M., Kamada, S., Ohtani, E., Mitsui, T., Masuda, R., Sakamaki, T., Suzuki, N., Maeda, F., Akasaka, M.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 155165 Pages: 1-6
  • DOI: DOI: 10.1103/PhysRevB.93.155165
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Compressional and shear wave velocities for polycrystalline bcc-Fe up to 6.3 GPa and 800 K (2016)
  • Author(s): Shibazaki, Y., Nishida, K., Higo, Y., Igarashi, M. Tahara, M., Sakamaki, T., Terasaki, H., Shimoyama, Y., Kuwabara, S., Takubo, Y., Ohtani, E.
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 101 Pages: 1150-1160
  • DOI: DOI: http://dx.doi.org/10.2138/am-2016-5545
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Determination of sound velocity of iron-alloy using inelastic X-ray scattering experiment under ultra-high pressure and temperature conditions (2016)
  • Author(s): Sakamaki, T., Fukui, H., Tanaka, R., Ohtani, E., Baron, A.Q.R.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016A1180 Pages: 1-1
• [Journal Article] Sound velocity of Fe3S, FeO, and FeH at high pressure and temperatures, and implications for sound velocity anomalies at the inner core boundary (2016)
  • Author(s): Ohtani, E., Sakamaki, T.,, Fukui, H., Kamada, S., Tanaka, R.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016A1171 Pages: 1-1
• [Journal Article] Study of physical properties of the core and lower mantle materials using synchrotron Mössbauer and X-ray diffraction method (2016)
  • Author(s): Ohtani, E., Kamada, S., Sakamaki, T.,, Fumiya, M., Sakairi, T., Ohira, I., Kuga, S.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016A0104 Pages: 1-1
• [Journal Article] Simultaneous sound velocity and density measurements of iron-silicon alloys under core conditions of Mercury and Mars (2016)
  • Author(s): Sakamaki, T., Terasaki, H., Shibazaki, Y., Suzuki, A., Tobe, H., Higo, Y., Kurokawa, F., Maki, M., Shimoyama, Y., Saito, R.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016B1111 Pages: 1-1
• [Journal Article] Simultaneous sound velocity and density measurements of iron-alloys for understanding the composition of Earth’s inner core (2016)
  • Author(s): Sakamaki, T., Fukui, H., Tanaka, R., Kamada, S., Ikuta, D., Ohtani, E., Baron, A.Q.R.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016B1112 Pages: 1-1
• [Journal Article] Four-dimensional tomography and in-situ X ray diffraction of flowing magmas (2016)
  • Author(s): Okumura, S., Sakamaki, T., Uesugi, K.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016B1253 Pages: 1-1
• [Journal Article] Sound velocity of iron-light element compounds at high pressure and temperature, and detection of the sound velocity anomalies near the transition boundary (2016)
  • Author(s): Ohtani, E., Sakamaki, T.,, Fukui, H., Kamada, S., Tanaka, R., Terasaki, H., Baron, A.Q.R.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016B1419 Pages: 1-1
• [Journal Article] Sound velocity and density measurements of liquid Fe-Ni-Si up to 15 GPa (2016)
  • Author(s): Terasaki, H., Maki, M., Shimoyama, Y., Kurokawa, F., Saito, R., Sakamaki, T., Shibazaki, Y., Tobe, H., Higo, Y., Tange, Y.
  • Journal Title: SPring-8 Experimental Summary Report Volume: 2016B1518 Pages: 1-1
• [Presentation] マルチメガバールでの鉄の音速測定 (2017)
  • Author(s): 坂巻竜也，福井宏之，大谷栄治，田中遼介，アルフレッド・バロン
  • Organizer: 新学術領域研究「核‐マントル共進化」平成28年度成果発表会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2017-03-26 – 2017-03-28
• [Presentation] Sound velocity of iron-light element compounds and the chemical structure of the inner core (2016)
  • Author(s): Ohtani, E., Sakamaki, T., Fukui, H., Tanaka, R., Shibazaki, Y., Kamada, S., Sakairi, T., Takahashi, S., Tsutsui, S., Baron, A.Q.R.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: San Francisco USA
  • Year and Date: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity and density of FeO at high pressure and temperature (2016)
  • Author(s): Tanaka, R., Sakamaki, T., Fukui, H., Ohtani, E., Kamada, S., Sato, S., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron, A.Q.R., Suzuki, A.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: San Francisco USA
  • Year and Date: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高圧下におけるFeOの音速測定 (2016)
  • Author(s): 田中遼介，坂巻竜也，福井宏之，大谷栄治，鎌田誠司，筒井智嗣，内山裕士，アルフレッド・バロン, 鈴木昭夫
  • Organizer: 第57回高圧討論会
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-29
• [Presentation] 地球惑星深部環境におけるマグマの物性と構造に関する研究 (2016)
  • Author(s): 坂巻竜也
  • Organizer: 日本鉱物科学会2016年年会
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2016-09-23 – 2016-09-25
  • Invited
• [Presentation] 高温高圧下での鉄-ニッケル合金の音速・密度測定 (2016)
  • Author(s): 坂巻竜也、福井宏之、大谷栄治、鎌田誠司、筒井智嗣、アルフレッド・バロン
  • Organizer: 日本鉱物科学会2016年年会
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2016-09-23 – 2016-09-25
• [Presentation] Pressure-induced change of iron in complicated silicate glasses (2016)
  • Author(s): Maeda, F., Kamada, S., Ohtani, E., Sakamaki, T., Hirao, N., Mitsui, T., Masuda, R., Nakano, S.
  • Organizer: The 54th European High Pressure Research Group (EHPRG) International Meeting on High Pressure Science and Technology
  • Place of Presentation: Bayreuth GERMANY
  • Year and Date: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線非弾性散乱を用いた地球核条件下での鉄・鉄合金の音速測定 (2016)
  • 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合同研究会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2016-08-28
  • Invited
• [Presentation] Synchrotron 57Fe Mössbauer study of basaltic glass up to the lowermost mantle pressure (2016)
  • Author(s): Maeda, F., Kamada, S., Ohtani, E., Sakamaki, T., Hirao, N., Mitsui, T., Masuda, R.
  • Organizer: Intenational Workshop: New Challenges in Volatile Cycling in the Deep Earth
  • Place of Presentation: Sendai JAPAN
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The compressibility of partial molar volume of H2O in magma (2016)
  • Author(s): T. Sakamaki
  • Organizer: Goldschmidt 2016
  • Place of Presentation: Yokohama JAPAN
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Reaction of MgCO3 high-pressure phase and SiO2; Origin of super-deep diamond (2016)
  • Author(s): F. Maeda, S. Kamada, E. Ohtani, T. Sakamaki, N. Hirao, Y. Ohishi
  • Organizer: Goldschmidt 2016
  • Place of Presentation: Yokohama JAPAN
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Melting relation in the Fe-S-Si system at 10 GPa: Implications for Mercury’s core (2016)
  • Author(s): H. Tobe, A. Suzuki, Y. Shibazaki, T. Sakamaki, E. Ohtani
  • Organizer: Goldschmidt 2016
  • Place of Presentation: Yokohama JAPAN
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity of Fe3C and carbon in the core (2016)
  • Author(s): Takahashi, S., Ohtani, E., Sakamaki, T., Kamada, S., Fukui, H., Baron, A.Q.R.
  • Organizer: Goldshmidt2016
  • Place of Presentation: Yokohama JAPAN
  • Year and Date: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity Fe3S at high pressure and high temperature based on inelastic X-ray scattering (2016)
  • Author(s): Kamada, S., Sakairi, T., Sakamaki, T., Ohtani, E., Terasaki, H., Fukui, H., Baron, A.Q.R., Suzuki, A., Uchiyama, H., Tsutsui, S.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: Chiba JAPAN
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-26
  • Int'l Joint Research