高圧下の鉄合金の特性とコアの軽元素組成の制約

• Project/Area Number: 21H04506
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: The 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)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000); Fiscal Year 2021: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
• Keywords: コア / FeH合金 / 融解実験 / 共融点組成 / 地球コア / 超高圧 / 鉄合金 / 水素

Outline of Research at the Start

地球コアは鉄を主成分とし、わずかなニッケルに加えて、硫黄・ケイ素・酸素・炭素・水素などの軽元素を原子比にして数十％含んでいるとされる。本研究は主にダイヤモンドセルを用いた高圧高温実験によって、液体と固体の鉄合金の密度・地震波伝播速度・状態図・元素分配をコアの圧力下で決定する。これまで先行研究がほとんどない鉄-水素合金を中心に、他の軽元素を含む合金についても不足しているデータを補う。それらを観測と比較し、外核・内核の５つの軽元素組成を制約する。コアの軽元素組成は、現在のコアの状態だけでなく、そのダイナミクスと磁場形成、地球全体の化学組成、地球集積プロセスなどの理解に向けて大きな意味を持つ。

Outline of Annual Research Achievements

結果的に１ヶ月半という期間となった本課題について、以下の７つの研究を進めた。１）SPring-8のビームラインBL43LXUにおけるX線非弾性散乱法を使った液体FeOの縦波速度測定に関し、過去の測定データの解析と６月のビームタイムに向けた実験準備を行った。また２）同じくSPring-8のビームラインBL10XUにおけるX線回折測定によって、超高圧高温まで 固体Feの格子体積を求め、状態方程式を決定するためのデータを解析した。さらに３）固体FeHの高圧高温下における体積データから高温の状態方程式を作成するとともに、４）Fe-FeH系の高圧高温実験を行って、状態図の作成を試みた。クライオ二次イオン質量分析法を使って、回収試料の三次元水素濃度マッピングを行い、水素の定量分析法の開発を進めた。５）Fe-Si系の実験も200万気圧までやり直し、共融点の化学組成の圧力変化を正確に見積もった。６）コア形成時の金属-シリケイト分配についても二次イオン質量分析法を使った定量を行い、水素（水）が系に含まれることにより、硫黄と炭素の分配係数が大きく変化する（メタルに分配されにくくなる）ことを見つけた。最後に、７）沈み込んでいく海洋プレート（スラブ）は水をコアーマントル境界まで輸送し、その高温環境下で脱水した水はコアの金属鉄と化学反応を起こして、鉄水酸化物などを作ると従来考えられていた。ところが今回二次イオン質量分析法を使って行った、含水SiO2相の含水量を定量する実験によって、スラブが運んだ水は脱水せず、コアーマントル境界域に水を供給しないことが明らかになった。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Post-perovskite phase transition in the pyrolitic lowermost mantle: implications for ubiquitous occurrence of post-perovskite above CMB (2022)
  • Author(s): Kuwayama, Y., Hirose, K., Cobden, L., Kusakabe, M., Tateno, S., Ohishi, Y.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research