高圧実験と地球化学の複合アプローチから地球深部酸化還元状態進化を探る

• 研究課題/領域番号: 19H01989
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17040:固体地球科学関連
• 研究機関: 明治大学
• 研究代表者: 新名 良介 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (00769812)
• 研究分担者: 飯塚 毅 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70614569)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2019年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円)
• キーワード: 地球マントル / 酸化還元状態 / 高温高圧力 / 結晶構造 / 鉱物 / 地球内部 / マントル / 高温高圧実験 / ダイヤモンドアンビルセル / 地球・惑星内部構造 / 地殻・マントル物質 / 固体地球物理学 / 地球化学 / 高温高圧 / 融解 / ダイヤモンド

研究開始時の研究の概要

高圧実験と地球化学を組み合わせた新しいアプローチを創出し、生命を宿す地球がどのような過程を経て現在の酸化還元状態へと落ち着いたのかを明らかにする。超”高精度”高温高圧実験手法を開発し、地球化学的分析に耐えうる極小温度勾配下平衡実験を前人未踏級の高温高圧領域で可能にする。その後、地球深部で起こっているダイヤモンド生成酸化還元反応や金属鉄析出反応を再現し、(a)多様なマントル深部酸化還元状態、(b)謎のダイヤモンド同位体分布、(c)地球初期集積時マントル酸化の原因を解明する。錯綜している地球物理学的・地球化学的知見の両者に、酸化還元状態という横串を通すことで統一的な地球内物質循環の解明を目指す。

研究成果の概要

地球深部酸化還元状態を理解するために、温度安定性の高い高温高圧力発生装置を改良した。改良した装置を用い、地球深くに沈み込む高酸素雰囲気物質がどのような化学反応を起こし、どのような物理的性質を示すかを明らかにした。近年発見された高圧力下で安定な酸化鉄相の安定性、結晶構造、電気伝導度を初めて決定した。実験の結果から、下部マントルは高酸素雰囲気物質の沈み込みを妨げる障壁の役割をすることが示された。地球規模の揮発性元素大循環の理解につながる知見を得ることができた。また、海外研究者との共同研究で、高圧酸化鉄相の一つと同じ結晶構造を持つ未知の高圧シリケイト相を隕石衝撃脈中に発見した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

他の惑星と比べ、地球の表面は揮発性元素（酸素や水素など）に富むが、地球規模で揮発性元素がどのように循環しているかは未だ完全には理解されていない。地球深部には、沈み込み活動を通して高酸素雰囲気物質（酸素が多く含まれる物質）が持ち去られていると考えられている。酸素に富む物質が地球深部でどのような振る舞いをし、その後どうなるかを理解するため、実験的研究を推進した。得られた結果から、酸素に富む物質の地球深部条件における物理・化学的な性質が明らかになった。実験から、酸素に富む物質は深さ660 km以深には沈み込みにくいことが明らかになった。地球規模の酸素大循環を理解する上で重要な知見を得ることができた。

研究成果

• [国際共同研究] HPSTAR(中国)
• [国際共同研究] University of Florence(イタリア)
• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] University of Bayreuth(ドイツ)
• [国際共同研究] HPSTAR(中国)
• [雑誌論文] The electrical conductivity of Fe4O5, Fe5O6, and Fe7O9 up to 60 GPa (2022)
  • 著者名/発表者名: Maitani Shuhou、Sinmyo Ryosuke、Ishii Takayuki、Kawaguchi Saori I.、Hirao Naohisa
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 49 号: 5 ページ: 11-11
  • DOI: 10.1007/s00269-022-01188-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of Elgoresyite, (Mg,Fe)₅Si₂O₉: Implications for Novel Iron-Magnesium Silicates in Rocky Planetary Interiors (2021)
  • 著者名/発表者名: Bindi Luca、Sinmyo Ryosuke、Bykova Elena、Ovsyannikov Sergey V.、McCammon Catherine、Kupenko Ilya、Ismailova Leyla、Dubrovinsky Leonid、Xie Xiande
  • 雑誌名: ACS Earth and Space Chemistry 巻: 5 号: 8 ページ: 2124-2130
  • DOI: 10.1021/acsearthspacechem.1c00157
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Silicon‐Depleted Present‐Day Earth's Outer Core Revealed by Sound Velocity Measurements of Liquid Fe‐Si Alloy (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Yoichi、Kawaguchi Saori I.、Hirose Kei、Tateno Shigehiko、Kuwayama Yasuhiro、Sinmyo Ryosuke、Ozawa Haruka、Tsutsui Satoshi、Uchiyama Hiroshi、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 125 号: 6
  • DOI: 10.1029/2020jb019399
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous compressibility in (Fe,Al)-bearing bridgmanite: implications for the spin state of iron (2020)
  • 著者名/発表者名: Okuda Yoshiyuki、Ohta Kenji、Sinmyo Ryosuke、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 47 号: 9 ページ: 40-40
  • DOI: 10.1007/s00269-020-01109-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Earth’s cooler core inferred from new resistance-heated diamond-anvil-cell experiments (2020)
  • 著者名/発表者名: Sinmyo R., Hirose K., Ohishi Y.
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA Research Frontiers 巻: 2019 ページ: 78-79
• [雑誌論文] A portable on-axis laser heating system for near-90? X-ray spectroscopy: Application to ferropericlase and iron silicide (2020)
  • 著者名/発表者名: Spiekermann G., Kupenko I., Petitgirard S., Harder M., Nyrow A., Weis C., Albers C., Biedermann N., Libon L., Sahle C., Cerantola V., Glazyrin K., Sinmyo R., Kon?pkov? Z., Morgenroth W., Sergueev I., Yava? H., Dubrovinsky L., Tolan M., Sternemann C., Wilke M.
  • 雑誌名: J. Synchrotron Radiat. 巻: 27 号: 2 ページ: 414-424
  • DOI: 10.1107/s1600577519017041
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of new-structured post-spinel MgFe2O4: Crystal structure and high-pressure phase relations (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishii T., Miyajima N., Sinmyo R., Boffa Ballaran T., Kojitani H., Mori D., Inaguma Y., Akaogi M.
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 47 号: 6
  • DOI: 10.1029/2020gl087490
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen limits carbon in liquid iron (2019)
  • 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
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of spin transition of iron on the thermal conductivity of (Fe, Al)-bearing bridgmanite (2019)
  • 著者名/発表者名: Okuda Yoshiyuki、Ohta Kenji、Sinmyo Ryosuke、Hirose Kei、Yagi Takashi、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 520 ページ: 188-198
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2019.05.042
  • 査読あり
• [雑誌論文] The stability of Fe5O6 and Fe4O5 at high pressure and temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Hikosaka Koutaro、Sinmyo Ryosuke、Hirose Kei、Ishii Takayuki、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 104 号: 9 ページ: 1356-1359
  • DOI: 10.2138/am-2019-7097
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Fe3+ on the phase relations under lower mantle: implications for redox melting in the stagnant slabs. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sinmyo R., Nakajima Y., McCammon CA., Miyajima N., Petitgirard S., Myhill R., Dubrovinsky L., Frost DJ.
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 号: 12 ページ: 12484-12497
  • DOI: 10.1029/2019jb017704
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] インハウス単結晶X線回折測定装置を用いた固体地球構成物質の結晶構造決定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米谷 珠萌、新名 良介、石井 貴之、与座 健治
  • 学会等名: JpGU 2023
• [学会発表] DACを用いた複合動的環境下における サブミリ秒XRD計測技術の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 河口沙織、河口彰吾、小林俊幸、新名良介、太田健二
  • 学会等名: 第36回日本放射光学会年会
• [学会発表] Melting curve of iron determined in a resistance-heated diamond-anvil cell: implications for the Earth and planetary core (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Sinmyo, Kei Hirose, and Yasuo Ohishi
  • 学会等名: The 17th Symposium of SEDI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The electrical conductivity of (FeO)m(Fe2O3)n iron oxides at high pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: S Maitani, R Sinmyo, T Ishii, N Hirao, SI Kawaguchi
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 衝突過程により地球に供給される生命関連化合物の制約 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川合 雄登 ・ 新名 良介 ・ 河口 沙織 ・ 鈴木 大輝 ・ 癸生川 陽子 ・ 小林 憲正
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] 高速X線回折測定を用いた小天体衝突過程再現実験の試み (2021)
  • 著者名/発表者名: 新名良介、川合雄登、河口沙織、鈴木大輝、 癸生川陽子、小林憲正
  • 学会等名: SPRUC高圧物質科学研究会と地球惑星科学研究会の合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Melting curve of iron to 290 GPa determined in a resistance-heated diamond-anvil cell (2020)
  • 著者名/発表者名: Sinmyo R., Hirose K., Ohishi Y.
  • 学会等名: The 17th Symposium of SEDI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高温高圧下におけるFe5O6 とFe4O5 の安定性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 彦坂晃太郎, 新名良介, 廣瀬敬, 石井貴之, 大石泰生
  • 学会等名: 日本鉱物科学会
• [学会発表] Hydrogen Limits Carbon in Liquid Iron (2019)
  • 著者名/発表者名: Kei Hirose, Shoh Tagawa, Yasuhiro Kuwayama, Ryosuke Sinmyo and Guillaume Morard
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Transfer of SiO2 from the core to the mantle and its fate in the Earth in early and present times (2019)
  • 著者名/発表者名: George R Helffrich, Maxim Ballmer, Guillaume Morard, Koichiro Umemoto, Ryuichi Nomura, Ryosuke Sinmyo, Anat Shahar, Stephane Labrosse, John W Hernlund and Kei Hirose
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Core-Mantle Interaction Through Liquid Magnesium Silicate Release from the Earth's Core (2019)
  • 著者名/発表者名: Helffrich G, Hirose K, Nomura R & Sinmyo R
  • 学会等名: Goldschmidt 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Phase relations in the system Fe-Ni-Si to 200 GPa and 3900 K and implications for Earth’s core (2019)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Komabayashi, Giacomo Pesce, Ryosuke Sinmyo, Takaaki Kawazoe, Helene Breton, Yuta Shimoyama, Glazyrin Konstantin, Zuzana Kon?pkov?, and Mohamed Mezouar
  • 学会等名: EGU2019
  • 国際学会
• [図書] Core-Mantle Coevolution: A Multidisciplinary approach (2022)
  • 著者名/発表者名: Sinmyo R., Nakajima Y., Kuwayama Y.
  • 出版者: American Geophysical Union
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/ryosuke_sinmyo
• [備考] Publons
  • URL: https://publons.com/researcher/2904306/ryosuke-sinmyo/
• [備考] ORCID
  • URL: https://orcid.org/0000-0001-5799-3400