火星表層環境に影響を及ぼした「窒素の循環と進化」の実証的研究

• 研究課題/領域番号: 21H01149
• 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17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 小池 みずほ 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 助教 (60836154)
• 研究分担者: 中田 亮一 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (50726958) ; 臼井 寛裕 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (60636471) ; 菅原 春菜 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 特任助教 (50735909)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (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: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2022年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: 火星隕石 / 窒素化学種 / XAFS法 / 窒素の循環と進化 / 火星アナログ岩石 / XAFS / 火星アナログ / 火星 / 窒素の循環 / 惑星表層環境 / 化学種解析 / 同位体分析 / 粘土鉱物 / 火星アナログ試料 / 局所非破壊分析 / 火星表層環境 / 隕石 / 窒素同位体 / 局所分析

研究開始時の研究の概要

火星の表層に大気(N2)以外の窒素貯蔵庫（リザバー）が存在したことが、近年の火星探査および隕石研究にて明らかになりつつある。太古の火星では、窒素は化学種を変えながら大気圏-岩石圏-水圏（および生命圏）を循環し、環境変動に影響を及ぼしたのであろう。本研究では「火星にいつ・どのような窒素の循環が卓越し、時代とともにどう進化（または停止）したのか？」の解明を目的に、独自の局所窒素分析を駆使して火星隕石の窒素化学種と同位体比を決定する。隕石に刻まれた複数の「異なる窒素リザバー」を特定し、それらの時代進化を追跡できれば、かつての火星の表層環境や生命存在可能性への理解に繋がると期待する。

研究成果の概要

本研究では、火星における窒素の循環と進化を理解することを目的に、様々な火星隕石と地球の天然玄武岩（火星アナログ）の窒素化学種をX線吸収微細構造法(XAFS)により調べた。測定は大型放射光施設SPring-8の軟X線ビームラインBL27SUにて実施した。隕石中の窒素はごく微量であると予想された為、まずはクリーン環境での試料準備法を確立し、その後、未知試料と参照窒素化合物類のXAFSスペクトルを測定した。その結果、若い火星隕石は局所的に硝酸塩等の窒素化合物を含むことが判明した。ただし、その濃度は非常に低く、さらなる高解像度分析や同位体分析の実現には手法の改良が必要であると結論付けられた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

地球の兄弟星とも言われる火星は、現在は寒冷で乾燥した惑星だが、 約40億年前には豊富な表層水と分厚い大気を有し、初期地球に似た環境だったと考えられている。このような火星の環境大変遷史の解明は、広く地球型惑星の現在と将来を理解する上で重要である。また、火星は月に次いで人類にとって身近な天体であり、2030年代の火星圏サンプルリターン計画、および、その後の火星有人探査が期待される。今後10年以内に火星回収試料に直接アクセスできると見込まれる現在、本研究により隕石の局所非破壊分析法が確立され、火星の窒素についての知見が得られた学術的意義は非常に大きい。

研究成果

• [雑誌論文] Curation protocol of Phobos sample returned by Martian Moons eXploration (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukai R., Usui T., Fujiya W., Takano Y., Bajo K., Beck A., Bonato E., Chabot N. L., Furukawa Y., Genda H., Hibiya Y., Jourdan F., Kleine T., Koike M., Matsuoka M., Miura Y.N., Moynier F., Okazaki R., Russell S.S.、Sumino H., Zolensky M.E., Sugahara H., Tachibana S., Sakamoto K., Abe M., Cho Y., Kuramoto K.
  • 雑誌名: Meteoritics & Planetary Science 巻: 59 号: 2 ページ: 321-337
  • DOI: 10.1111/maps.14121
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nitrogen K-edge X-ray adsorption near-edge structure spectroscopy of chemically adsorbed ammonia gas on clay minerals and the 15N/14N-nitrogen isotopic fractionation (2024)
  • 著者名/発表者名: Sugahara H., Yoshimura T., Tamenori, Y., Takano, Y., Ogawa N. O., Chikaraishi Y., Ohkouchi N.
  • 雑誌名: Analytical Sciences 巻: 40 号: 4 ページ: 781-789
  • DOI: 10.1007/s44211-023-00503-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 有機物－金属元素相互作用の開拓とXAFSを用いた有機宇宙化学分析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中田 亮一
  • 雑誌名: Researches in Organic Geochemistry 巻: 39 号: 2 ページ: 47-59
  • DOI: 10.20612/rog.39.2_47
  • ISSN: 1344-9915, 2189-7891
  • 年月日: 2023-12-28
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of carbonate-associated sulfate (CAS) in a Noachian Martian meteorite Allan Hills 84001 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kajitani Iori、Koike Mizuho、Nakada Ryoichi、Tanabe Gaku、Usui Tomohiro、Matsu'ura Fumihiro、Fukushi Keisuke、Yokoyama Tetsuya
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 620 ページ: 118345-118345
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118345
  • 査読あり
• [雑誌論文] Martian moons exploration MMX: sample return mission to Phobos elucidating formation processes of habitable planets (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuramoto Kiyoshi et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 号: 1 ページ: 12-12
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01545-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Mars system revealed by the Martian Moons eXploration mission (2022)
  • 著者名/発表者名: Ogohara Kazunori、Nakagawa Hiromu、Aoki Shohei et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 号: 1 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01417-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] NanoSIMS Analysis of Rare Earth Elements in Silicate Glass and Zircon: Implications for Partition Coefficients (2022)
  • 著者名/発表者名: Shi Lanlan、Sano Yuji、Takahata Naoto、Koike Mizuho、Morita Takuya、Koyama Yuta、Kagoshima Takanori、Li Yuan、Xu Sheng、Liu Congqiang
  • 雑誌名: Frontiers in Chemistry 巻: 10 ページ: 844953-844953
  • DOI: 10.3389/fchem.2022.844953
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] EXAFS Determination of Clay Minerals in Martian Meteorite Allan Hills 84001 and Its Implication for the Noachian Aqueous Environment (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakada Ryoichi、Tanabe Gaku、Kajitani Iori、Usui Tomohiro、Shidare Masashi、Yokoyama Tetsuya
  • 雑誌名: Minerals 巻: 11 号: 2 ページ: 176-176
  • DOI: 10.3390/min11020176
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A New Constraint on the Physicochemical Condition of Mars Surface during the Amazonian Epoch Based on Chemical Speciation for Secondary Minerals in Martian Nakhlites (2021)
  • 著者名/発表者名: Suga Hiroki、Suzuki Keika、Usui Tomohiro、Yamaguchi Akira、Sekizawa Oki、Nitta Kiyofumi、Takeichi Yasuo、Ohigashi Takuji、Takahashi Yoshio
  • 雑誌名: Minerals 巻: 11 号: 5 ページ: 514-514
  • DOI: 10.3390/min11050514
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial distribution and speciation of sulfur in Ediacaran limestones with μ-XRF imaging and XANES spectroscopy: Implications for diagenetic mobilization of sulfur species (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsu'ura Fumihiro、Nakada Ryoichi、Usui Tomohiro、Sawaki Yusuke、Ueno Yuichiro、Kajitani Iori、Saitoh Masafumi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 306 ページ: 20-43
  • DOI: 10.1016/j.gca.2021.05.010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Survey of impact glasses in shergottites searching for Martian sulfate using X-ray absorption near-edge structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Shidare Masashi、Nakada Ryoichi、Usui Tomohiro、Tobita Minato、Shimizu Kenji、Takahashi Yoshio、Yokoyama Tetsuya
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 313 ページ: 85-98
  • DOI: 10.1016/j.gca.2021.08.026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Searching for life on Mars and its moons (2021)
  • 著者名/発表者名: Hyodo Ryuki、Usui Tomohiro
  • 雑誌名: Science 巻: 373 号: 6556 ページ: 742-742
  • DOI: 10.1126/science.abj1512
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analytical protocols for Phobos regolith samples returned by the Martian Moons eXploration (MMX) mission (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujiya Wataru、Furukawa Yoshihiro、Sugahara Haruna、Koike Mizuho、Bajo Ken-ichi、Chabot Nancy L.、Miura Yayoi N.、Moynier Frederic、Russell Sara S.、Tachibana Shogo、Takano Yoshinori、Usui Tomohiro、Zolensky Michael E.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 号: 1 ページ: 130-130
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01438-9
  • 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
• [学会発表] In-situ nitrogen chemical speciation of alteration minerals in terrestrial Mars analog (2023)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa A., Koike M., Onishi K., Sumiya Y., Nakada R., Sugahara H., Usuit T., and Amunsen E. F.
  • 学会等名: Goldschmidt Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Nitrogen Chemical Speciation of Carbonates and Clay Minerals in a Terrestrial Mars Analog (2023)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa A., Koike M., Nakada R,. Tomioka N., Okuchi T., Onishi K., Sumiya Y., Sugahara H., Usuit T., and Amunsen E. F.
  • 学会等名: 85th Annual Meetings of the Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] A Petrologic Study of a Recently Found Winonaite, Northwest Africa 13679 (2023)
  • 著者名/発表者名: Koike M., Sakai R., Sumiya Y., Kurokawa A., Onishi K.
  • 学会等名: 85th Annual Meetings of the Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] U-Pb dating of Phosphate Minerals in a Mesosiderite Tanezrouft 091 and a Brecciated Eucrite Juvinas (2023)
  • 著者名/発表者名: Sumiya Y., Koike M., Kurokawa A., Onishi K., Kanemaru R., Takahata N., Sano Y.
  • 学会等名: 85th Annual Meetings of the Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] 火星の表層環境史解明に向けた火星隕石の局所窒素化学種解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大西健斗、中田亮一、黒川愛、住谷優太、臼井寛裕、菅原春菜、小池みずほ
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2023年秋季講演会
• [学会発表] Winonaite隕石の岩石鉱物記載による始原的分化天体の進化史推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 酒井 亮輔，小池 みずほ，住谷 優太，黒川 愛，大西 健斗
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2023年秋季講演会
• [学会発表] 分化隕石の局所年代測定に基づく惑星物質進化の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小池みずほ
  • 学会等名: 日本地球化学会 第70回年会
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙における有機分子進化と生命前駆物質の供給に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 菅原春菜
  • 学会等名: 日本地球化学会 第70回年会
  • 招待講演
• [学会発表] XANESによる化学種解析と層状ケイ酸塩中の元素組成に基づくリュウグウ母天体の水環境の推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 河合敬宏、福士圭介、菅大輝、上椙真之、山下翔平、中田亮一、小池みずほ、吉田英人、松本恵、中村智樹、大浦正樹、高橋嘉夫
  • 学会等名: 日本地球化学会 第70回年会
• [学会発表] In-situ nitrogen chemical speciation of alteration minerals in terrestrial Mars analog (2023)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa A., Koike M., Onishi K., Sumiya Y., Nakada R., Sugahara H., Usui T., and Amunsen E. F.
  • 学会等名: Goldschmidt Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Nitrogen Chemical Speciation of Carbonates and Clay Minerals in a Terrestrial Mars Analog (2023)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa A., Koike M., Nakada R,. Tomioka N., Okuchi T., Onishi K., Sumiya Y., Sugahara H., Usui T., and Amunsen E. F.
  • 学会等名: 85th Annual Meetings of the Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ nitrogen speciation of shergottite Martian meteorites and terrestrial Mars analog. (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Koike,A. Kurokawa,K. Onishi,R. Nakada,Y. Sumiya,T. Usui,H. Sugahara,H. Amundsen
  • 学会等名: 54th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Mars’ nitrogen chemistry recorded in Martian meteorites and related samples (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Koike,A. Kurokawa,K. Onishi,R. Nakada,Y. Sumiya,T. Usui,H. Sugahara,H. Amundsen
  • 学会等名: 11th ELSI symposium
  • 招待講演
• [学会発表] 火星の表層環境史解明に向けたシャーゴッタイト隕石の局所窒素化学種解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大西健斗,小池みずほ,黒川愛,住谷優太,中田亮一,臼井寛裕,菅原春菜
  • 学会等名: 日本地球化学会 第69回年会
• [学会発表] 火星の表層環境解明に向けたアナログ試料の局所窒素化学種分析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒川 愛,小池みずほ,大西健斗,住谷優太,中田亮一,菅原 春菜,臼井寛裕,Hans E,F. Amundsen
  • 学会等名: 日本地球化学会 第69回年会
• [学会発表] 火星の「窒素循環史」解明に向けた局所窒素化学種解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小池 みずほ,大西 健斗,黒川 愛,中田 亮一,住谷 優太,菅原 春菜,臼井 寛裕,Amundsen Hans
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会
  • 招待講演
• [学会発表] Uranium-lead dating of zircon and phosphate minerals in a highly-shocked eucrite Northwest Africa 13166 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sumiya, Y., Koike, M., Onishi, K., Kurokawa, A., Takahata, N., Asanuma, H., and Sano, Y.
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 火星の表層環境史解明に向けた局所窒素化学種解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大西健斗, 小池みずほ, 黒川愛, 住谷優太, 中田亮一, 菅原春菜, 臼井寛裕
  • 学会等名: 第46回生命の起原および進化学会学術講演会
• [学会発表] Mineralogy and sulfur X-ray absorption near-edge structure (S-XANES) analysis of Bockfjord Volcanic Complex carbonates, a potential Martian analog (2022)
  • 著者名/発表者名: Chang-Chin Wang, Haruna Sugahara, Tomohiro Usui, Ryoichi Nakada, Mizuho Koike, Hans Amundsen
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Speciation of sulfur in carbonates in a 4.1-billion-year-old Martian meteorite (2022)
  • 著者名/発表者名: Iori Kajitani, Ryoichi Nakada, Mizuho Koike, Gaku Tanabe, Tomohiro Usui, Fumihiro Matsu’ura, Keisuke Fukushi, Hiroyuki Kurokawa, Tetsuya Yokoyama
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 隕石の放射年代分析から探る小惑星の衝突進化史 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小池みずほ, 佐野有司, 高畑直人
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Rock-magnetic and mineralogical properties of the exsolved magnetite in plagioclase crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Sato, Masashi Ushioda, Ryoichi Nakada, Yujiro Tamura, Shinji Yamamoto
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] Redox change by coseismic water-rock reactions in the interior of planets (2021)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Hirose, Ryoichi Nakada, Keishi Okazaki, Takazo Shibuya
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] The micro-scale speciation analyses of sulfur in the Ediacaran limestones: Implications for diagenetic mobilization of sulfur species (2021)
  • 著者名/発表者名: Fumihiro Matsuura, Ryoichi Nakada, Yusuke Sawaki, Yuichiro Ueno, Masafumi Saitoh, Iori Kajitani, Tomohiro Usui
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] Relationship between the abundance of the exsolved magnetite and the valence state of iron in single plagioclase crystal separated from Doshi gabbro (2021)
  • 著者名/発表者名: Yujiro Tamura, Masahiko Sato, Ryoichi Nakada, Chie Kato, Shinji Yamamoto
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] Interaction between Cerium and H2O in Hydrous Rhyolitic Melts (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤 望、河野 義生、尾原 幸治、中田 亮一、伊奈 稔哲、Skrzypek Etienne、山田 明寛、齊藤 哲
  • 学会等名: JpGU2021
• [備考] 研究代表者（小池みずほ）個人ページ
  • URL: https://sites.google.com/view/mizuhokoike/home?authuser=0