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蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界における非生物的炭化水素合成に関する実験的研究

研究課題

研究課題/領域番号 22H00181
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
研究機関国立研究開発法人海洋研究開発機構

研究代表者

渋谷 岳造  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(超先鋭研究開発プログラム), 上席研究員 (00512906)

研究分担者 須田 好  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 地質調査総合センター, 研究員 (00792756)
眞壁 明子  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(超先鋭研究開発プログラム), 准研究副主任 (90752618)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
41,860千円 (直接経費: 32,200千円、間接経費: 9,660千円)
2025年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円)
2024年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
2023年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円)
2022年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
キーワード炭化水素合成 / 蛇紋岩 / 熱水系 / 高温高圧実験
研究開始時の研究の概要

1960年代の報告以来、蛇紋岩熱水系で発生する熱水は、非生物的に合成されたメタンなどの炭化水素を特異的に含んでいることが知られるようになった。しかし、現在の観測データを説明する化学反応とその地質プロセスについて未だ議論が収束していない。そこで本研究では、これまで考えられてこなかった蛇紋岩熱水系深部と無水マントルの境界における化学反応に着目し、新たな作業仮説に基づいて再現実験を行う。そして、実験的に検証された「蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界における炭化水素合成モデル」を構築する。この研究は、極限環境微生物学、惑星科学、エネルギー開発など、異分野への波及効果が期待される。

研究実績の概要

本研究では、蛇紋岩熱水系における非生物的炭化水素合成反応の物理化学条件依存性(温度・圧力・初期流体組成・触媒組成)とそれを駆動する触媒生成メカニズムを明らかにし、実験的に検証された「蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界における炭化水素合成モデル」を構築することを目的としている。
令和5年度は、蛇紋岩熱水系深部-無水マントル境界を模した高温高圧水-岩石反応実験を継続して行った。渋谷(代表)は、Fe-Ni合金によって駆動される非生物的炭化水素合成反応の温度依存性を検証するために行っている300℃と425℃(いずれも500気圧)の実験を継続し、随時溶液のサンプリングおよび化学分析を行った。また、天然のかんらん石を用いた実験についても同様に継続した。須田(分担)は、産業技術総合研究所の同位体ラベル試料専用のラボにて、水-岩石反応実験で得られた溶液試料の溶存有機酸分析を行い実験で発生した有機酸の炭素同位体ラベル率を決定した。眞壁(分担)は、水-岩石反応実験で得られる溶液試料の溶存ガス及び揮発性有機物分析を行い、実験で発生したメタン等揮発性有機物の炭素同位体ラベル率を決定した。
以上の結果、天然のかんらん石を用いた実験では、実験開始後8ヶ月で同位体比分析が可能な量のメタンや有機酸の発生が確認された。この現象について、メタン等の発生のタイミングや発生速度、炭素同位体ラベル率など、詳細な分析と解析を行った結果、メタン等の発生はコンタミネーションの影響ではなく非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成反応によるものであることがわかった。このことは天然の蛇紋岩熱水系において、非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成が起きうることを強く示唆している。

現在までの達成度 (区分)
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

令和5年度は、当初の想定を超えて、かんらん石を用いた実験においてメタンや有機酸などが発生した。メタン等の発生するタイミングや速度がコンタミネーションであるとは考えにくかったため、詳細な分析を行う必要が生じた。このため、当初予定していた、炭化水素合成反応の圧力依存性、触媒組成依存性を明らかにする実験を先送りし、かんらん石を用いた実験で発生したメタンや有機酸の同位体比分析、熱力学的解析等を主に進めた。その結果、発生したメタンはコンタミネーションではなく、二酸化炭素還元炭化水素合成反応によるものであることが判明した。先送りした実験があるものの、本研究課題において大幅な進捗があったことから、全体の進捗状況を「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

先送りした非生物的炭化水素合成反応の圧力依存性、触媒組成依存性を明らかにする実験を開始する。一方、初期物質にFe-Ni触媒を含んでいないにもかかわらず天然のかんらん石を用いた実験では非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成反応が進み始めた。したがって、次年度以降はこの実験を継続して行うとともに、初期条件をわずかに変えた実験を行う。これにより、本研究で得られた非生物的二酸化炭素還元炭化水素合成反応のデータの再現性を確認するとともに、反応のメカニズムに制約を与える。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (41件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 6件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 12件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Experimental Hydrothermal Alteration of Rhyolite and Andesite at 325° C and 300 Bar: Implications for a Potential Role of Volcanic Glass in the Fluid Composition in the Okinawa Trough2024

    • 著者名/発表者名
      Saitoh, M., Shibuya, T., Saito, T., Torimoto, J., Ueda, H., Sato, T., & Suzuki, K.
    • 雑誌名

      Minerals

      巻: 14 号: 3 ページ: 259-259

    • DOI

      10.3390/min14030259

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] In situ gold adsorption experiment at an acidic hot spring using a blue-green algal sheet2024

    • 著者名/発表者名
      Nozaki Tatsuo、Fukushima Yasuyuki、Okada Satoshi、Takaya Yutaro、Makabe Akiko、Watanabe Masayuki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 14 号: 1 ページ: 5739-5739

    • DOI

      10.1038/s41598-024-56263-3

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Aqueous alteration in icy planetesimals: The effect of outward transport of gaseous hydrogen2024

    • 著者名/発表者名
      Shibuya Takazo、Sekine Yasuhito、Kikuchi Sakiko、Kurokawa Hiroyuki、Fukushi Keisuke、Nakamura Tomoki、Watanabe Sei-ichiro
    • 雑誌名

      Geochimica et Cosmochimica Acta

      巻: - ページ: 264-283

    • DOI

      10.1016/j.gca.2024.03.022

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Experimental synthesis of Fe-bearing olivine at near-solidus temperatures and its decomposition during longtime heating2023

    • 著者名/発表者名
      HIRAKAWA Naoki、KEBUKAWA Yoko、SHIBUYA Takazo、UEDA Hisahiro、KOBAYASHI Kensei
    • 雑誌名

      Journal of Mineralogical and Petrological Sciences

      巻: 118 号: 1 ページ: n/a

    • DOI

      10.2465/jmps.220913

    • ISSN
      1345-6296, 1349-3825
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deep Subseafloor Biogeochemical Processes and Microbial Populations Potentially Associated with the 2011 Tohoku-oki Earthquake at the Japan Trench Accretionary Wedge (IODP Expedition 343)2023

    • 著者名/発表者名
      Kawagucci Shinsuke、Sakai Sanae、Tasumi Eiji、Hirai Miho、Takaki Yoshihiro、Nunoura Takuro、Saitoh Masafumi、Ueno Yuichiro、Yoshida Naohiro、Shibuya Takazo、Clifford Sample James、Okumura Tomoyo、Takai Ken
    • 雑誌名

      Microbes and environments

      巻: 38 号: 2 ページ: n/a

    • DOI

      10.1264/jsme2.ME22108

    • ISSN
      1342-6311, 1347-4405
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Detection of phosphates originating from Enceladus’s ocean2023

    • 著者名/発表者名
      Postberg Frank、Sekine Yasuhito、Klenner Fabian、Glein Christopher R.、Zou Zenghui、Abel Bernd、Furuya Kento、Hillier Jon K.、Khawaja Nozair、Kempf Sascha、Noelle Lenz、Saito Takuya、Schmidt Juergen、Shibuya Takazo、Srama Ralf、Tan Shuya
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 618 号: 7965 ページ: 489-493

    • DOI

      10.1038/s41586-023-05987-9

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] In Situ Measurement of Liquid and Gas CO<sub>2</sub> with High Purity at Deep-Sea Hydrothermal Vents in the Mariana Arc Using Raman Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Tomoko、Takahagi Wataru、Tasumi Eiji、Makabe Akiko、Taguchi Koudai、Thornton Blair、Takai Ken
    • 雑誌名

      ACS Earth and Space Chemistry

      巻: 7 号: 12 ページ: 2489-2497

    • DOI

      10.1021/acsearthspacechem.3c00224

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Novel quantitative method for individual isotopomer of organic acids from 13C tracer experiments determines carbon flow in acetogenesis2023

    • 著者名/発表者名
      Suda Konomi、Sakamoto Sachiko、Iguchi Akira、Tamaki Hideyuki
    • 雑誌名

      Talanta

      巻: 257 ページ: 124328-124328

    • DOI

      10.1016/j.talanta.2023.124328

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mineralogical alteration of a type A CAI from Allende CV3 chondrite: Formation of secondary dmisteinbergite and its phase transition to anorthite2023

    • 著者名/発表者名
      Enokido, Y., Nakamura, T., Matsumoto M., Miyake, A., Shibuya, T., Park, C., Zolensky M. E.
    • 雑誌名

      Meteoritics & Planetar Science

      巻: 58 号: 3 ページ: 405-420

    • DOI

      10.1111/maps.13961

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Liquid and supercritical CO2 as an organic solvent in Hadean seafloor hydrothermal systems: implications for prebiotic chemical evolution2022

    • 著者名/発表者名
      Shibuya Takazo、Takai Ken
    • 雑誌名

      Progress in Earth and Planetary Science

      巻: 9 号: 1 ページ: 60-60

    • DOI

      10.1186/s40645-022-00510-6

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Characterization of groundwater chemistry beneath Gale Crater on early Mars by hydrothermal experiments2022

    • 著者名/発表者名
      Noda Natsumi、Sekine Yasuhito、Tan Shuya、Kikuchi Sakiko、Shibuya Takazo、Kurisu Minako、Takahashi Yoshio、Fukushi Keisuke、Rampe Elizabeth B.
    • 雑誌名

      Icarus

      巻: 386 ページ: 115149-115149

    • DOI

      10.1016/j.icarus.2022.115149

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Heterogeneous nature of the carbonaceous chondrite breccia Aguas Zarcas Cosmochemical characterization and origin of new carbonaceous chondrite lithologies2022

    • 著者名/発表者名
      Kerraouch Imene、Kebukawa Yoko、Bischoff Addi、Zolensky Michael E.、Wolfer Elias、Hellmann Jan L.、Ito Motoo、King Ashley、Trieloff Mario、Takahashi Yoshio et al.
    • 雑誌名

      Geochimica et Cosmochimica Acta

      巻: 334 ページ: 155-186

    • DOI

      10.1016/j.gca.2022.07.010

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Polysulfide-assisted urea synthesis from carbon monoxide and ammonia in water2022

    • 著者名/発表者名
      Norio Kitadai, Satoshi Okada, Akiko Makabe, Eiji Tasumi, Masayuki Miyazaki
    • 雑誌名

      PeerJ Organic Chemistry

      巻: 4 ページ: e6-e6

    • DOI

      10.7717/peerj-ochem.6

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Bottom‐associated phytoplankton bloom and its expansion in the Arctic Ocean2022

    • 著者名/発表者名
      Shiozaki Takuhei、Fujiwara Amane、Sugie Koji、Nishino Shigeto、Makabe Akiko、Harada Naomi
    • 雑誌名

      Global Change Biology

      巻: 28 号: 24 ページ: 7286-7295

    • DOI

      10.1111/gcb.16421

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nitrogen Isotopes of Sinking Particles Reveal the Seasonal Transition of the Nitrogen Source for Phytoplankton2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshikawa Chisato、Ogawa Nanako O.、Chikaraishi Yoshito、Makabe Akiko、Matsui Yohei、Sasai Yoshikazu、Wakita Masahide、Honda Makio C.、Mino Yoshihisa、Aita Maki N.、Fujiki Tetsuichi、Nunoura Takuro、Harada Naomi、Ohkouchi Naohiko
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 49 号: 17

    • DOI

      10.1029/2022gl098670

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 生命の起源 「海底熱水 液体/超臨界CO2仮説」2023

    • 著者名/発表者名
      渋谷 岳造
    • 学会等名
      海中海底工学フォーラム・ZORO Hybrid
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Experimental investigation of the 13C-13C clumping in thermogenic ethane2023

    • 著者名/発表者名
      田口 宏大、上野 雄一郎、ジルベルト アレキシー、渋谷 岳造、川口 慎介
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Long-term evolution of hydrothermal fluid chemistry on Earth2023

    • 著者名/発表者名
      水上 勇佑、丹 秀也、関根 康人、渋谷 岳造、齋藤 拓也、高橋 嘉夫
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Liquid and supercritical CO2 as an organic solvent in Hadean seafloor hydrothermal systems2023

    • 著者名/発表者名
      渋谷 岳造、高井 研
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Investigations of phosphate behavior within subsurface ocean of Enceladus through hydrothermal experiments and geochemical modeling2023

    • 著者名/発表者名
      丹 秀也、関根 康人、渋谷 岳造、齋藤 拓也
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 地球初期海底熱水系におけるアンモニア生成の化学と同位体効果の実験的研究2023

    • 著者名/発表者名
      西澤 学、齋藤 拓也、眞壁 明子
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 13Cトレーサー実験における有機酸の同位体異性体ごとの新しい定量法2023

    • 著者名/発表者名
      須田 好、坂本 幸子、井口 亮、玉木 秀幸
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 原始地球海底熱水系で有機溶媒としてはたらく液体/超臨界CO22023

    • 著者名/発表者名
      渋谷 岳造
    • 学会等名
      日本地球化学会 第70回年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 初期火星における水-岩石反応によって生成される熱水の水素及び炭化水素2023

    • 著者名/発表者名
      上田 修裕、渋谷 岳造、松井 洋平
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2023年大会日本地球化学会 第70回年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] エンセラダス海洋における生命必須元素濃度の実験・数値的推測2023

    • 著者名/発表者名
      丹 秀也、関根 康人、渋谷 岳造
    • 学会等名
      日本地球化学会 第70回年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Environmental changes in the Arctic over the past 10 Myr based on Os isotope stratigraphy and chemical composition of ferromanganese crusts2023

    • 著者名/発表者名
      Konstantinova, N., Suzuki, K., Chang, Q., Makabe, A., Hein, R. J., Brekke, H., and Skolotnev, S.
    • 学会等名
      Goldschmidt 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Primary magnetic remanence from c. 3.47 Ga chert clasts from the Pilbara craton, Western Australia2023

    • 著者名/発表者名
      Usui, Y., Shibuya, T., Tani, K., Saitoh, M., Nishizawa, M., Okumura, T., Kashiwabara, T., Onoue, T., and Sato, H.
    • 学会等名
      6th International Archean Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Detection of phosphate in Enceladus’ ocean with implications for geochemistry and habitability in the outer solar system2023

    • 著者名/発表者名
      Frank Postberg, Yasuhito Sekine, Fabian Klenner, Christopher R. Glein, Zenghui Zou, Bernd Abel, Kento Furuya, Jonathan K. Hillier, Nozair Khawaja, Sascha Kempf, Lenz Noelle, Takuya Saito, Jurgen Schmidt, Takazo Shibuya, Ralf Srama, and Shuya Tan
    • 学会等名
      EGU General Assembly 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigations for availability of trace elements in ocean of Enceladus through hydrothermal experiments and geochemical modeling2023

    • 著者名/発表者名
      Shuya Tan, Yasushito Sekine, Takazo Shibuya
    • 学会等名
      WaterRock Interaction(WRI17)/ Applied Isotope Geochemistry AIG14
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Diversity of hydrothermal systems in various dissolved carbonate and sulfate in seawater: Implications for Earth’s evolution2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Mizukami, Shuya Tan, Yasuhito Sekine, Takazo Shibuya, Takuya Saito, Yoshio Takahashi
    • 学会等名
      WaterRock Interaction(WRI17)/ Applied Isotope Geochemistry AIG14
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Detection of Phosphate in Enceladus' Ocean: Its Implications for Geochemistry and Habitability2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuhito Sekine, Frank Postberg, Fabian Klenner, Christopher R Glein, Zenghui Zou, Bernd Abel, Jon Hillier, Nozair Khawaja, Sascha Kempf, Lenz Nolle, Takuya Saito, Juergen Schmidt, Takazo Shibuya, Ralf Srama and Shuya Tan
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental study on hydrogen generation thorough water-rock reactionsin hydrothermal systems in the early Mars2022

    • 著者名/発表者名
      Hisahiro Ueda, and Takazo Shibuya
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] エンセラダス地下海のリン濃集と太陽系での前生命化学進化の多様性2022

    • 著者名/発表者名
      関根康人、フランク・ポストバーグ、丹秀也、渋谷岳造、齋藤拓也
    • 学会等名
      日本惑星科学会2022年秋季講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 北西太平洋2海山の鉄マンガンクラスト表面のテルル安定同位体組成2022

    • 著者名/発表者名
      深海 雄介、柏原 輝彦、天川 裕史、渋谷 岳造、臼井 朗、鈴木 勝彦
    • 学会等名
      日本地球化学会 第69回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 初期火星熱水系で起きる水-岩石反応により発生する熱水の化学組成2022

    • 著者名/発表者名
      上田 修裕、渋谷 岳造、松井 洋平
    • 学会等名
      日本地球化学会 第69回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 低温アルカリ熱水によるジルコンの溶解実験: 蛇紋岩化反応に伴う物質移動の理解へ向けて2022

    • 著者名/発表者名
      沢田 輝、上田 修裕、渋谷 岳造
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2022年大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Hydrothermal experiments using carbonaceous chondrites: Implications for availability of bioessential elements in Enceladus’ ocean2022

    • 著者名/発表者名
      丹 秀也、関根 康人、古谷 健人、渋谷 岳造
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2022年大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Formation of bright materials on Ceres with explosive cryovolcanic eruption of deep subsurface liquid brines2022

    • 著者名/発表者名
      依田 優大、関根 康人、渋谷 岳造、菊池 早希子、丹 秀也
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2022年大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Free energy distribution in fluid mixing zones in Gale crater: insights into potential habitability on early Mars2022

    • 著者名/発表者名
      菊池 早希子、渋谷 岳造
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2022年大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] GC-MSを用いたギ酸および酢酸分子内の炭素位置ごとの13Cラベル率の定量法2022

    • 著者名/発表者名
      須田 好、坂本 幸子、玉木 秀幸、井口 亮
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2022年大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 生命の起源を解く重要なヒントとなる「海底熱水-液体/超臨界CO2仮説」の提唱

    • URL

      https://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20221116/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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