地球核とマントル・核境界の超高圧地球科学

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14102009
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 大谷 栄治 東北大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60136306)
• 研究分担者: 久保 友明 東北大学, 大学院・理学研究科, 助手 (40312540) ; 鈴木 昭夫 東北大学, 大学院・理学研究科, 助手 (20281975) ; 近藤 忠 東北大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (20252223)
• キーワード: マグネシオブスタイト / 金属鉄 / FeSi合金 / 鉄酸化物 / 鉄水素化 / Mgペロブスカイト / 元素分配 / 濡れ角

研究概要

本研究においては、地球核に含まれる軽元素の種類と量を推定し、内核に含まれる軽元素の種類と量を推定するために、マルチアンビル高圧装置とダイヤモンドアンビル高圧装置を駆使して20〜198GPaの圧力領域で実験を行った。
マルチアンビルによる実験においては、圧力約30GPaのもとで約3000℃までの条件でMgSiO3ペロブスカイトと金属鉄との反応を明らかにした。そして、MgSiO3ペロブスカイトと金属鉄が反応しマグネシオブスタイトが生じ金属鉄メルト中にSiとOが溶解する反応を確認した。この反応は大きな圧力依存性があり、酸素分圧一定のもとで高温で多くのSiとOを溶解する。また、圧力の増加ととともにSiとOの溶解量が減少する。この結果から、核の分離にともなう断熱的な温度プロファイルに従って、鉄中へのSiとOの溶解が進むことが明らかになった。この結果は、論文として準備中である。
地球の起源物質のモデルである炭素質コンドライト(Allende chondrite)について、30GPa、までの相変化を明らかにした。この隕石のFe-Ni-S系のソウダス・リキダス、ケイ酸塩の相転移と溶融関係を明らかにした。25GPaにおいても約1600℃程度で金属成分が融解する。また、ケイ酸塩成分の融点2000℃付近であり、MgSiO3ペロブスカイトがリキダス相になる。この結果はレフェリーつき国際誌に投稿し受理されている。
さらに高圧での実験はダイヤモンドアンビル高圧装置を用いて行った。下部マントルおよび核マントル境界の高温高圧を発生するためにレーザー加熱ダイヤモンドアンビル高圧装置を用い、100GPa領域でのマグネシオブスタイト(Mg, Fe)Oの相転移と安定相を明らかにした。また、核の条件での鉄・軽元素系の安定相と状態方程式を解明するために、FeSi合金系とFe-H2系の圧縮実験をそれぞれ核内部の圧力に相当する198GPおよび80GPaまでの圧力で行った。これらの結果を用いて、核の軽元素の種類と量について議論した。この結果は、レフェリー付の国際誌に投稿し受理されている。

研究成果

• [文献書誌] Ohtani, E., Litasov, K.D.et al.: "Water Transport into the Deep Mantle and Formation of a Hydrous Transition zone"Phys.Earth Planet.Inter.. (印刷中).
• [文献書誌] Litasov, K., Ohtani, E.et al.: "Water Solubility in Mg-perovskites and water storage capacity in the lower mantle"Earth Planet.Sci.Lett.. 211. 189-203 (2003)
• [文献書誌] Asahara, Y., Kubo, T., Kondo.T: "Phase relations of a carbonaceous chondrite at lower mantle conditions"Phys.Earth Planet.Inter.. (印刷中).
• [文献書誌] Kondo, T., Ohtani, E., Hirao, N., Yagi, T., Kikegwa, T.: "Phase transitions of (Mg,Fe)O at megabar pressures"Phys.Earth Planet.Inter.. (印刷中).
• [文献書誌] Hirao, N., Kondo, T., Ohtani, E., Takemura, K.et al.: "Compression of iron hydride to 80 GPa and hydrogen in the Earth's inner core"Geophys.Res.Lett.. (印刷中).
• [文献書誌] Hirao, N., Ohtani, E., Kondo, T., Kikegwa, T.: "Equation of state of iron-silicon alloys to megabar pressure"Physics and Chemistry of Minerals. (印刷中).