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原始火星における水-岩石反応に伴う水素の生成量とその同位体比

研究課題

研究課題/領域番号 22K14138
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分17050:地球生命科学関連
研究機関学習院大学

研究代表者

上田 修裕  学習院大学, 理学部, 研究員 (70847235)

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
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード火星 / 鉄かんらん石 / 水岩石反応 / 水素 / 蛇紋石化反応 / 初期火星 / 水-岩石反応 / 水素生成
研究開始時の研究の概要

原始火星には水が存在し、高温の熱水と岩石の反応が起きたとされる。火星表層の岩石や鉱物(カンラン石)の組成が地球の組成と異なるため、その熱水は地球の熱水以上に水素に富んだ可能性がある。水素は生命の代謝に関わる重要な元素であることに加え、昔の火星表層環境にも影響を与えていた可能性がある。しかし、火星表層の水-岩石反応でどの程度水素が供給され、影響を与えたのかは不明な点が多い。そこで本申請では、原始火星熱水系を想定したカンラン石を用いた室内実験を行い、水-岩石反応に由来する熱水組成(特に水素濃度)を明らかにする。これらを通じて、原始火星熱水場における生命存在可否及び表層環境に与えた影響を評価する。

研究実績の概要

初期の火星には水が存在し、高温の熱水と岩石の反応が起きたとされる。火星表層の岩石や鉱物(かんらん石)の組成が地球の組成と異なっており、その岩石と反応し生成した熱水は地球の熱水以上に水素に富んだ可能性がある。水素は生命の代謝に関わる重要な元素であることに加え、昔の火星表層環境にも影響を与えていた可能性がある。しかし、火星表層の水-岩石反応でどの程度水素が供給され、影響を与えたかは不明な点が多い。そこで本研究の目的は、太古の火星熱水系を想定したかんらん石を用いた室内実験を行い、水-岩石反応に由来する熱水組成(特に水素濃度)を明らかにすることである。
地球上に多く存在するかんらん石(Fo90)よりFeに富むFo80-Fo0という組成範囲のかんらん石が火星には存在している。そこで、火星表層でみられるかんらん石の端成分における水素生成量を理解するために、前年度に開始したFo70-80程度のかんらん石を使った実験に加え、本年度はFo0程度の鉄かんらん石を使用した実験を行った。実験温度は、熱力学計算に基づいて最も水素濃度が高くなる120℃とした。しかし、120℃という比較的低温での水-岩石反応は非常に反応が遅く、4か月状態経過した段階でも反応による流体組成の変化がほとんどみられていない。この実験については、今後も引き続き溶液のサンプリングをしながら反応をモニターしていく予定である。一方、前年度から開始したFo70-80の水-岩石反応実験は水素濃度等が定常状態に達したところで終了した。その水素濃度は地球のかんらん石(Fo90)のものより高かった。また、室温でのpHは他のかんらん石の実験と同様にアルカリ性を示した。固体実験生成物は真空状態で乾燥後、分析を実施した結果、ほとんどのかんらん石が反応によって消失したことが明らかになった。以上の結果は熱力学計算と調和的であった。

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

当初の計画では、今年度始めた水-岩石反応実験の溶液・固体成分分析を完了する予定であったが、その実験が低温条件のためかなり長い反応時間を要しており、あと数か月は反応にかかると見込まれる。一方で、前年度開始した実験においては、水素濃度が一定状態に達したのち、実験を終了させ、大まかな溶液・固体分析を行うことができた。また、実験条件下において鉄を多く含むかんらん石(Fo70-80程度)が地球のかんらん石(Fo90)よりも多く水素生成することを実験的に明らかにすることができた。
以上より、進歩状況は概ね順調と判断した。

今後の研究の推進方策

1つ目の実験終了時に得られた実験生成鉱物の構成割合を算出すために今回XRD分析を利用したが、より詳細な鉱物割合の定量化を目指すため、熱重量分析等を実施する。その後、それらの鉱物の元素組成についてもSEMやEPMA等を利用して明らかにする。続いて、そこで得られたデータと熱力学計算との比較を行う。一方で、かんらん石(Fo0程度)を120℃で反応させた実験においては、数か月の時間経過ではほぼ反応が進行しておらず、今後もかなりの時間を要することが想定される。終了までに得られる溶液サンプルに関しては、逐次分析を行っていく。さらに、実験装置が空き次第、異なる条件下での実験を開始することも検討している。同時に、生成した水素の同位体比の測定も順次行っていく予定である。

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

    (5件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 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 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The origin of methane in serpentinite-hosted hyperalkaline hot spring at Hakuba Happo, Japan: Radiocarbon, methane isotopologue and noble gas isotope approaches2022

    • 著者名/発表者名
      Suda Konomi、Aze Takahiro、Miyairi Yosuke、Yokoyama Yusuke、Matsui Yohei、Ueda Hisahiro、Saito Takuya、Sato Tomohiko、Sawaki Yusuke、Nakai Ryosuke、Tamaki Hideyuki、Takahashi Hiroshi A.、Morikawa Noritoshi、Ono Shuhei
    • 雑誌名

      Earth and Planetary Science Letters

      巻: 585 ページ: 117510-117510

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2022.117510

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [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
      2023年度日本地球化学会第70回年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [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
      2022年度 日本地球化学会 第69回年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [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
      上田 修裕、渋谷 岳造
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting 2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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