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高温高圧実験と有機反応解析によるスラブにおける堆積物有機物を介した炭素循環の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22K03769
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分17040:固体地球科学関連
研究機関北海道大学

研究代表者

篠崎 彩子  北海道大学, 理学研究院, 助教 (80570506)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード沈み込み帯 / 炭化水素 / C-O-H流体 / 堆積物有機物 / 高温高圧実験 / ダイヤモンドアンビルセル / GCMS / アルカン / GC/MS
研究開始時の研究の概要

本研究では沈み込むスラブにおける炭素リザーバーの1つである堆積物有機物に着目し、その重要な構成要素のアルカンを対象に、スラブの環境を再現した高温高圧実験から、化学反応が起きる温度圧力条件や反応生成物の変化、共存鉱物が与える影響を調べる。反応生成物の質量分析等を用いた定量的評価により、スラブの沈み込みに伴う堆積物有機物の化学反応の詳細を評価する。本研究によりどのような化学的特徴を持つ炭素化合物がどの程度マントルへと供給されるのか、あるいは地球表層へと再循環するのかを解明することが目標である。

研究実績の概要

地球表層から地球深部へと物質が供給される唯一の領域である沈み込むスラブにおいて、堆積物有機物は二酸化炭素などの揮発性流体や炭酸塩鉱物などの無機鉱物と並ぶ重要な炭素のリザーバーであり、その安定性や化学反応を理解することは、スラブひいては全地球規模での炭素循環の解明のために必要不可欠である。
本研究では堆積物有機物の重要な構成要素である炭化水素に着目し、スラブに相当する高温高圧条件での炭化水素の安定性や化学反応を明らかにすることで、地球表層から深部への堆積物有機物を介した炭素循環メカニズムの理解に寄与することを目標としている。
計画2年目の本年度は、昨年度に引き続きスラブの高温高圧条件を想定した室内実験を進め、堆積物有機物のモデル物質である複数の有機物、特にアルカンやアルケンを対象として、ダイヤモンドアンビルセルやピストンシリンダーを用いた高温高圧実験および、高温高圧下その場ラマン測定や、回収試料のラマン・赤外分光測定、さらにはGC/MSをはじめとするいくつかの質量分析法により、化学反応が進行する温度圧力条件を評価した。得られた結果を基に、高温高圧条件における、炭化水素の反応メカニズムを検討し、特に反応に対する圧力の影響とスラブに豊富に存在する水の影響を評価した。本年度得られた研究結果のうち、1-アルケンの高温高圧下における相関係と、化学反応メカニズムについては学会発表での成果発表を行い、国際学術誌に掲載された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

反応の温度圧力条件を探るための、外熱式ダイヤモンドアンビルセルと高温高圧下ラマン測定を組み合わせた実験と、詳細な反応メカニズムを調べるためのピストンシリンダーによる高温高圧合成と回収試料の化学分析を組み合わせた実験の二つの手法を用いて実験を進めた。複数のモデル物質を対象に、反応の温度条件や具体的な反応メカニズム、さらにはその圧力依存性を調べた。複数の炭化水素を対象に反応の温度圧力条件の解明に至った。一方で、水の影響を十分検討するためにはさらなる追試を必要としている。

今後の研究の推進方策

実際の沈み込み帯の環境を想定して、複数のケイ酸塩鉱物と共存する条件での実験を進め、影響を評価する。結果をもとにスラブでの炭化水素を介した炭素循環メカニズムの構築を目指す。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Phase Relation and Reactivity of 1-Hexene under High-Pressure and High-Temperature Conditions2024

    • 著者名/発表者名
      Shinozaki Ayako、Kawano Jun、Nagai Takaya
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 128 号: 14 ページ: 5956-5963

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.3c07946

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of Pressure on the Thermal Cracking and Polymerization of Pentacosane nC25, an n-Alkane2022

    • 著者名/発表者名
      Shinozaki Ayako
    • 雑誌名

      ACS Earth and Space Chemistry

      巻: 7 号: 1 ページ: 69-76

    • DOI

      10.1021/acsearthspacechem.2c00235

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 沈み込み帯におけるアルカンの熱分解・重合反応に対する圧力、水の影響2023

    • 著者名/発表者名
      滝本 樹奈
    • 学会等名
      2023年度日本地球化学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 高温高圧下における1-アルケンの相関係と化学反応2023

    • 著者名/発表者名
      篠崎 彩子
    • 学会等名
      第63回高圧討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Thermal cracking and polymerization of a long n-alkane under high-pressure and high-temperature conditions of subducting slab2023

    • 著者名/発表者名
      Ayako Shinozaki
    • 学会等名
      Goldschmidt 2023
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The effect of pressure on the chemical reaction of an n-C25 alkane under the high-pressure and high-temperature conditions of the interior of the Earth2022

    • 著者名/発表者名
      篠崎彩子
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合(JpGU)2022年大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 沈み込み帯におけるアルカンの熱分解・重合反応のGC/MS解析2022

    • 著者名/発表者名
      滝本樹奈
    • 学会等名
      日本地球化学会69回年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 芳香族カルボン酸の脱炭酸反応・重合反応における圧力の影響2022

    • 著者名/発表者名
      篠崎 彩子
    • 学会等名
      第63回高圧討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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