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鉄-水素系合金の高圧下融解実験による地球コア組成の検討

研究課題

研究課題/領域番号 17J00703
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 岩石・鉱物・鉱床学
研究機関東京大学

研究代表者

田川 翔  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2017年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード地球中心核の軽元素 / 鉄-水素系の高温高圧物性 / 地球の起源物質 / レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル / 超高圧・高温実験 / 水素のメタル-シリケイト分配 / 相平衡状態図 / コアーマントル分離 / 水素のメタル-シリケート分配 / 超高温・高圧実験 / 鉄-水素二成分系
研究実績の概要

本研究の目的は、「水素」が地球中心核の主要な軽元素かを検証することにある。地球中心核に存在する水素量の制約は、地球の起源物質中に含まれた水の量の決定に不可欠である。本研究で得られる成果は、地球の起源物質や形成過程の理解を深めうる。
本研究課題では、A)レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルにより、鉄-水素系の超高圧・高温実験を可能にする技術を確立すること、B)その技術を用い、各圧力・温度・水素量における鉄-水素系の状態図を明らかにすること、C)鉄-水素合金の密度・圧力関係(状態方程式)を高圧まで明らかにすること、を当初の課題とし、それぞれ成果を得た。さらに、D)地球中心核の形成温度・圧力下における水素のメタル-シリケイト間の分配比を明らかにする研究課題にも取り組んだ。
本研究結果から、水素は地球核の主要な軽元素の一つであることが支持される。まず、下限値については、課題Dの結果をコア形成モデルと組み合わせることで制約を行った。いずれのモデルでも、[現在の表層+マントル]の水量と平衡する核の水素量は、0.3 wt.%以上(密度欠損のおよそ3割以上を説明)となる。一方、課題A-Cの結果と、近年得られた第一原理計算結果を組み合わせると水素の外核の固溶量は、1 wt.%まで矛盾しないことがわかる。その範囲であれば、外核の密度と縦波速度、重たい内核の結晶化、という軽元素決定のクライテリアについて、矛盾しない。核に含まれる0.3 wt.%の水素は、地球の起源物質中に海洋の35倍もの水(・水素)が含まれていたことに相当する。
本研究の結果は、地球や太陽系の形成において、水素や水が重要な役割を果たすことを意味している。また、得られた技術は、単体水素の実験など、固体物性の研究等にも応用可能である。今後、水素と他の軽元素を含む多成分系の実験を重ね、核の組成モデルの精密化を行う。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2020 2019 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 9件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] University of California, Berkeley(米国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Stability of fcc phase FeH to 137 GPa2020

    • 著者名/発表者名
      Kato Chie, Umemoto Koichiro, Ohta Kenji, Tagawa Shoh, Hirose Kei, Ohishi Yasuo
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 105 号: 6 ページ: 917-921

    • DOI

      10.2138/am-2020-7153

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Melting in Fe-FeO to 204 GPa: Implications for oxygen in Earth’s core2019

    • 著者名/発表者名
      K. Oka, K. Hirose, S. Tagawa, Y. Kidokoro, Y. Nakajima, G. Morard, N. Coudurier, G. Fiquet
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 104 号: 11 ページ: 1603-1607

    • DOI

      10.2138/am-2019-7081

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Melting experiments on liquidus phase relations in the Fe‐S‐O ternary system under core pressures2019

    • 著者名/発表者名
      Yokoo Shunpei、Hirose Kei、Sinmyo Ryosuke、Tagawa Shoh
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 46 号: 10 ページ: 5137-5145

    • DOI

      10.1029/2019gl082277

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrogen limits carbon in liquid iron2019

    • 著者名/発表者名
      Hirose Kei、Tagawa Shoh、Kuwayama Yasuhiro、Sinmyo Ryosuke 、Morard Guillaume 、Ohishi Yasuo 、Genda Hidenori
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 46 号: 10 ページ: 5190-5197

    • DOI

      10.1029/2019gl082591

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Core-mantle partitioning of hydrogen2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Hirose, Shoh Tagawa, Naoya Sakamoto, Yasuo Ohishi, Hisayoshi Yurimoto
    • 学会等名
      AGU Fall meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrogen Limits Carbon in Liquid Iron2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Hirose, Shoh Tagawa, Yasuhiro Kuwayama, Ryosuke Sinmyo, Guillaume Morard
    • 学会等名
      AGU Fall meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Sound velocity measurements on hcp-FeHx (x<1) under high pressures by femtosecond pulse laser pump-probe technique2019

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Wakamatsu, Kenji Ohta, Shoh Tagawa, Takashi Yagi, Kei Hirose, Yasuo Ohishi
    • 学会等名
      AGU Fall meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Melting in the Fe-O-H system at 40 GPa2019

    • 著者名/発表者名
      Oka Kenta, Kei Hirose, Shoh Tagawa, Yasuo Ohishi
    • 学会等名
      AGU Fall meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Liquid Immiscibility in the Fe-S-H System at Conditions of Earth’s Core Formation2019

    • 著者名/発表者名
      Shunpei Yokoo, Kei Hirose, Shoh Tagawa
    • 学会等名
      AGU Fall meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mutual Exclusivity between Si and H in Solid Iron under High Pressure2019

    • 著者名/発表者名
      Koutaro Hikosaka, Kei Hirose, Shoh Tagawa
    • 学会等名
      AGU Fall meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Liquid Immiscibility in the Fe-S-H System at High Pressure2019

    • 著者名/発表者名
      Shumpei Yokoo, Kei Hirose, Shoh Tagawa
    • 学会等名
      Goldschmidt 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Phase relations in non-stoichiometric FeHx at high pressures2018

    • 著者名/発表者名
      Tagawa Shoh、Ohta Kenji、Hirose Kei、Oishi Yasuo
    • 学会等名
      AGU Fall meeting 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] レーザ加熱式DACを用いた鉄-水素系高温高圧相の合成2017

    • 著者名/発表者名
      田川翔、太田健二、廣瀬敬、大石泰生
    • 学会等名
      第4回 水素化物に関わる次世代学術・応用展開研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Formation of non-stoichiometric fcc and hcp FeHx at high pressure and temperature conditions2017

    • 著者名/発表者名
      Tagawa, S., Ohta, K., Hirose, K., Ohishi, Y.
    • 学会等名
      The 9th High Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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