核－マントル間の炭素同位体分別係数の決定：地球内部炭素循環の解明に向けて

• 研究課題/領域番号: 20H01994
• 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: 愛媛大学 (2021-2023); 岡山大学 (2020)
• 研究代表者: 桑原 秀治 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (50505394)
• 研究分担者: M Satish‐Kumar 新潟大学, 自然科学系, 教授 (50313929) ; 伊藤 正一 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023) ; 土屋 卓久 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70403863) ; 出倉 春彦 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 講師 (90700146)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 炭素 / 同位体比 / 核 / マントル / 分配 / 同位体分別 / 元素分配

研究開始時の研究の概要

本申請課題では①金属鉄－ケイ酸塩液相間、ならびに②液体金属鉄－炭酸塩間のマントル深部条件における炭素同位体分別係数を世界に先駆けて決定する。炭素同位体分別係数の温度・圧力依存性に関して得られる定量データに基づき、地球化学上の大きな未解決問題である「始原天体よりも13Cに富む地球マントルの炭素同位体比の成因」、そして「地球深部由来の海洋地殻物質を含む12Cに富む炭化物の起源」に対し、地球史を通じた核－マントル相互作用の観点から統一的な理解を目指す。本研究によって、惑星内部における炭素安定同位体の空間的分布およびその時間的進化に関する理解が大きく進展することが期待される。

研究実績の概要

本年度は単結晶MgOカプセルを用いて圧力2GPa、温度1600~1650℃の条件における金属鉄－ケイ酸塩液相間の炭素同位体分別実験とその回収試料分析を行った(エネルギー分散型X線分光器による主成分分析、ラマン分光測定によるケイ酸塩中の炭素分子種の同定、二次イオン質量分析による炭素同位体比測定)。カプセルの厚みを調整した結果、前年度の実験に見られた試料中の金属鉄と外側に配置した白金カプセルとの反応を抑え、溶融条件下において60分間の長時間保持実験に成功した。ラマン分光測定ではケイ酸塩中の炭素濃度が低く、分子種の同定ができない試料もあったが、CH結合や元素状Cに由来するピーク(1300cm-1と2900cm-1付近)を確認した。この結果は先行研究とも調和的である。また、二次イオン質量分析によって金属鉄－ケイ酸塩液相間の炭素同位体分別係数(Δ13Cmetal-silicate)について、金属鉄側が若干軽い炭素に富む-10~-20‰という値が得られた。本年度得られたΔ13Cmetal-silicate値は先行研究における液体鉄－グラファイトもしくはダイヤモンドの値(-2～-4‰)と比較的近い値となった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

年度初めの計画通り、前年度の問題点の改善を行い、期待した実験結果を得ることができた。したがって、進捗状況として、おおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

本年度は前年度大きく改善した実験手法を用いてさらなる実験を行い、とくに金属鉄－ケイ酸塩液相間の炭素同位体分別係数の酸素フガシティー依存性を調べる予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Hadean mantle oxidation inferred from melting of peridotite under lower-mantle conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Kuwahara Hideharu、Nakada Ryoichi、Kadoya Shintaro、Yoshino Takashi、Irifune Tetsuo
  • 雑誌名: Nature Geoscience 巻: - 号: 5 ページ: 461-465
  • DOI: 10.1038/s41561-023-01169-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Molecular-Dynamics Study of Structural and Bonding Properties of Liquid Fe-Light-Element-O Systems Under High Pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohmura Satoshi、Shimojo Fuyuki、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Frontiers in Earth Science 巻: 10
  • DOI: 10.3389/feart.2022.873088
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low Velocity Zones in the Martian Upper Mantle Highlighted by Sound Velocity Measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Xu F.、Siersch N. C.、Greaux S.、Rivoldini A.、Kuwahara H.、Kondo N.、Wehr N.、Menguy N.、Kono Y.、Higo Y.、Plesa A.‐C.、Badro J.、Antonangeli D.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 号: 19
  • DOI: 10.1029/2021gl093977
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Continuous measurement of ultrasonic elastic wave velocities, X-ray radiography and X-ray diffraction of Zr50Cu40Al10 metallic glass at high pressure and high temperature conditions (2021)
  • 著者名/発表者名: Kono Yoshio、Higo Yuji、Greaux Steeve、Shibazaki Yuki、Yamada Rui、Kuwahara Hideharu、Kondo Nozomi
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 41 号: 3 ページ: 219-232
  • DOI: 10.1080/08957959.2021.1941000
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hadal aragonite records venting of stagnant paleoseawater in the hydrated forearc mantle (2021)
  • 著者名/発表者名: Oyanagi Ryosuke、Okamoto Atsushi、Satish-Kumar Madhusoodhan、Minami Masayo、Harigane Yumiko、Michibayashi Katsuyoshi
  • 雑誌名: Communications Earth & Environment 巻: 2 号: 1 ページ: 243-243
  • DOI: 10.1038/s43247-021-00317-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rupture of wet mantle wedge by self-promoting carbonation (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Atsushi、Oyanagi Ryosuke、Yoshida Kazuki、Uno Masaoki、Shimizu Hiroyuki、Satish-Kumar Madhusoodhan
  • 雑誌名: Communications Earth & Environment 巻: 2 号: 1 ページ: 151-151
  • DOI: 10.1038/s43247-021-00224-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sulfur, carbon and oxygen isotopic compositions of Newania carbonatites of India: implications for the mantle source characteristics (2021)
  • 著者名/発表者名: Anupam BANERJEE, M. SATISH-KUMAR, Ramananda CHAKRABARTI
  • 雑誌名: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences 巻: 116 号: 3 ページ: 121-128
  • DOI: 10.2465/jmps.201130e
  • NAID: 130008065765
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A geochemical and isotopic perspective on tectonic setting and depositional environment of Precambrian meta-carbonate rocks in collisional orogenic belts (2021)
  • 著者名/発表者名: Satish-Kumar, M., Shirakawa, M., Imura, A., Otsuji-Makino, N., Imanaka-Nohara, R., Malaviarachchi, S. P. K., Fitzsimons, I. C. W., Sajeev, K., Grantham, G. H., Windley, B. F., Hokada, T., Takahashi, T., Shimoda, G. & Goto, K. T.
  • 雑誌名: Gondwana Research 巻: - ページ: 163-204
  • DOI: 10.1016/j.gr.2021.03.013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nearly carbon‐saturated magma oceans in planetary embryos during core formation (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuwahara Hideharu、Itoh Shoichi、Suzumura Akimasa、Nakada Ryoichi、Irifune Tetsuo
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: - 号: 10
  • DOI: 10.1029/2021gl092389
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Helium and Argon Partitioning Between Liquid Iron and Silicate Melt at High Pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiong Zhihua、Tsuchiya Taku、Van Orman James A.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 号: 3
  • DOI: 10.1029/2020gl090769
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Elasticity of nanocrystalline kyanite at high pressure and temperature from ultrasonic and synchrotron X-ray techniques (2020)
  • 著者名/発表者名: N.A. Gaida, S. Gréaux, Y. Kono, H. Ohfuji, H.Kuwahara, N. Nishiyama, O. Beermann, T. Sasaki, K. Niwa, M. Hasegawa
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramic Society 巻: 104 号: 1 ページ: 635-644
  • DOI: 10.1111/jace.17464
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sound Velocities of Al‐Bearing Phase D up to 22 GPa and 1300 K (2020)
  • 著者名/発表者名: Xu Chaowen、Greaux Steeve、Inoue Toru、Noda Masamichi、Sun Wei、Kuwahara Hideharu、Higo Yuji
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 47 号: 18
  • DOI: 10.1029/2020gl088877
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 第一原理計算による超高圧地球科学の新展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土屋卓久
  • 雑誌名: 高圧力の科学と技術 巻: 30 号: 2 ページ: 140-155
  • DOI: 10.4131/jshpreview.30.140
  • NAID: 130007928824
  • ISSN: 0917-639X, 1348-1940
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel configurations of VN4 and VN4H defects in diamond platelets: Structure, Energetics and vibrational properties (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Gu; S. Ritterbex; T. Tsuchiya; W. Wang
  • 雑誌名: Diamond & Related Materials 巻: 108 ページ: 107957-107957
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2020.107957
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structures of liquid iron-light-element mixtures under high pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ohmura, T. Tsuchiya and F. Shimojo
  • 雑誌名: Physica Status Solodi B 巻: in press 号: 11 ページ: 2000098-2000098
  • DOI: 10.1002/pssb.202000098
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Study on the Lower Mantle Minerals (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Taku, Tsuchiya Jun, Dekura Haruhiko, Ritterbex Sebastian
  • 雑誌名: Annual Review of Earth and Planetary Sciences 巻: 48 号: 1 ページ: 99-119
  • DOI: 10.1146/annurev-earth-071719-055139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Equation of state of liquid iron under extreme conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuwayama, G. Morard, Y. Nakajima, K. Hirose, A.Q.R. Baron, S.I., Kawaguchi, T. Tsuchiya, D. Ishikawa, N. Hirano, Y. Ohishi
  • 雑誌名: Physcal Review Letters 巻: 124 号: 16 ページ: 165701-165701
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.165701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Viscosity of hcp iron at Earth's inner core conditions from density functional theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Ritterbex Sebastian、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-020-63166-6
  • 査読あり
• [学会発表] Oxidizing magma ocean due to redox disproportionation of Fe2+ at high pressures and implications for the atmosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideharu Kuwahara, Ryoichi Nakada, Shintaro Kadoya, Takashi Yoshino, Tetsuo Irifune
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Thermal conductivity of hydrous stishovite and DHMS minerals; Implications for seismicity along Japanese trench subduction zone (2022)
  • 著者名/発表者名: Bill Sweidan, Kenji Ohta, Yoshiyuki Okuda, Steeve Greaux, Manabu Kodama, Takashi Yagi, Hideharu Kuwahara
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 下部マントル条件下での天然含水玄武岩の相関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石川 裕太, 入舩 徹男, 桑原 秀治, 國本 健広
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [学会発表] 下部マントル領域における天然含水玄武岩の相関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石川 裕太, 入舩 徹男, 桑原 秀治, 國本 健広
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] 高温高圧下における含水シリカの電気伝導度 ～超イオン状態の実験的証拠～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 稲田 真子, 奥田 善之, 岡 健太, 桑原 秀治, Steeve Greaux, 廣瀬 敬
  • 学会等名: 第63回高圧討論会
• [学会発表] Ab initio computation on the element distribution between liquid metal and molten silicate (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya
  • 学会等名: ACHPR-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] H/D partitioning between forsterite, wadsleyite and ringwoodite : ab initio free energy calculation (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Tsuchiya and T. Tsuchiya
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [図書] 地球・惑星・生命（編：日本地球惑星科学連合） (2020)
  • 著者名/発表者名: 土屋卓久
  • 総ページ数: 280
  • 出版者: 東京大学出版