地球核の最適モデルの創出

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05748
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 大谷 栄治 東北大学, 理学研究科, 学術研究員 (60136306)
• 研究分担者: 坂巻 竜也 東北大学, 理学研究科, 助教 (30630769) ; 平尾 直久 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (70374915) ; 福井 宏之 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (90397901) ; 宮原 正明 広島大学, 理学研究科, 准教授 (90400241)
• 研究期間 (年度): 2015-05-29 – 2020-03-31
• キーワード: 地球核 / 軽元素 / 相平衡 / 放射光 / 高温高圧 / 音速 / 状態方程式 / 磁性

研究実績の概要

本研究では，相平衡実験・元素分配実験，放射光X線非弾性散乱法による音速測定，放射光メスバウア分光法，中性子回折法などを用いて，高温高圧下において鉄・軽元素合金の相関係・元素分配関係，密度・音速・磁性などの物性を解明した，それにもとづいて，地球核は鉄ニッケルともに，ケイ素，酸素，硫黄，水素が軽元素の候補として有力であること，また，内核と外核は軽元素の存在度が異なり，ケイ素が固体の内核の主要な軽元素であることが明らかになった．さらに， FeNi系およびFeNiSi系の高温高圧相平衡実験にもとづいて，内核はこれまで有力であったhcp構造相のみではなく，hcp構造相とbcc構造に類似のB2構造相の混合物からなるという地球核のモデルを構築した．このモデルは，これまで説明が困難であった内核の特徴である低い横波速度や大きなポアソン比を説明できる．
この研究によって，超高圧高温実験と放射光X線・中性子線を用いた測定方法の技術開発を行いつつ，地球核を構成する物質の諸物性を解明し，上記のような地球核の新たなモデルを構築した．これによって，地球型惑星の構造とその形成過程の理解を増進した．さらに，本研究において開発された実験方法は，関連する物理学・材料科学分野において使用されるなど，地球惑星科学のみならず，広く物性科学，材料科学分野においても貢献をした．

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Bayeriches Geoinstitute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Bayeriches Geoinstitute
• [国際共同研究] California Institute of Technology(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: California Institute of Technology
• [雑誌論文] Phase and melting relations of Fe3C to 300 GPa and carbon in the core, Carbon in Earth’s Interior (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, S., Ohtani, E., Sakai, T., Kamada, S., Ozawa, S., Sakamaki, T., Miyahara, M., Ito, Y., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Geophysical Monograph 249, First Edition 巻: 249 ページ: 25-36
  • DOI: doi:10.1002/9781119508229.ch3
  • 査読あり
• [雑誌論文] New developments in high-pressure X-ray diffraction beamline for diamond anvil cell at SPring-8 (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirao, N., Kawaguchi-Imada, S., Hirose, K., Shimizu, K., Ohtani, E., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Matter and Radiation at Extremes 巻: 5 ページ: 018403
  • DOI: doi:10.1063/1.5126038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal equation of state of Fe3C to 327 GPa and carbon in the core (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, S., Ohtani, E., Ikuta, D., Kamada, S., Sakamaki, T., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Minerals 巻: 9 ページ: 744
  • DOI: doi:10.1038/s41598-019-43601-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interstitial hydrogen atoms in face-centered cubic iron in the Earth’s core (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikuta, D., Ohtani, E., Sano-Furukawa, A., Shibazaki, Y., Terasaki, H., Yuan, L., Hattori, T.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 7108
  • DOI: doi:10.3390/min9120744
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sound velocity of Fe3C at high pressure and high temperature determined by inelastic X-ray scattering (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, S., Ohtani, E., Sakamaki, T., Kamada, S., Fukui, H., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Ishikawa, D., Hirao, N., Ohishi, Y., Baron, A. Q. R.
  • 雑誌名: Comptes Rendus Geoscience 巻: 351 ページ: 190-196
  • DOI: doi:10.1016/j.crte.2018.09.005
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Stability of Fe-bearing hydrous phases and element partitioning in the system MgO-Al2O3-Fe2O-SiO2-H2O in Earth's lowermost mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuan, H., Zhang, L., Ohtani, E., Meng, Y., Greenberg, E., Prakapenka, V.B.
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 524 ページ: 115714
  • DOI: doi.org/10.1016/j.epsl.2019.115714
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Inner core as a two phase mixture of the Fe-Ni-Si alloys (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Ikuta, D., Hirao, N., Sakamaki, T
  • 学会等名: AGU2019 Fall meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Inelastic x-ray scattering at extreme conditions and its geophysical applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Sakamaki, T., Fukui, H., Ikuta, D., Ishikawa, D., Uchiyama, H., Tsutsui, S., Baron, A. Q. R.
  • 学会等名: 11th International Conference on Inelastic X-ray Scattering (IXS2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Composition of the Earth’s Inner Core Inferred from the Sound Velocity Measurement of Iron-Nickel Alloy at High Pressure and High Temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakamaki, T., Ohtani, E., Fukui, H., Kamada, S., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron, A. Q. R.
  • 学会等名: Goldschmidt conference 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Sound velocity measurement of Fe-Ni-Si alloys at high pressure and high temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikuta, D., Ohtani, E., Sakamaki, T., Fukui, H., Uchiyama, H., Tsutsui, S., Baron, A. Q. R
  • 学会等名: 第60回高圧討論会
• [学会発表] Sound velocity and Mossbauer spectroscopy measurements of FeH2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikuta, D., Ohtani, E., Kawaguchi-Imada, S., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] Phase relations in the Fe-Ni-Si system at high pressures and high temperatures (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikuta, D., Ohtani, E., Kawaguchi-Imada, S, Hirao, N., Ohishi, Y.
  • 学会等名: JpGU Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] P-wave velocity of Fe3S under high pressure and temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Kamada, S., Terasaki, H., Fukui, H., Sakamaki, T., Uchiyama, H., Tsutsui, S., Ohtani, E., Baron, A. Q. R.
  • 学会等名: JpGU Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] B2 phase in the inner core: constraints from high pressure experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Ikuta, D., Kamada, S., Sakamaki, T., Hirao, N.
  • 学会等名: JpGU Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Role of high pressure hydrous phase in lower mantle dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Ohira, I., Jackson, J., Ishii, T., Hsieh, W. P.
  • 学会等名: GeoMuenster conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Role of Hydrogen on Composition, Structure, and Dynamics of the Lower Mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E.
  • 学会等名: Goldschmidt 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] CSJ35 有機・無機材料の相転移ダイナミクス―数理から未来のマテリアル開発まで. トピックス④ (2019)
  • 著者名/発表者名: 大谷栄治
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: 日本化学同人
  • ISBN: 9784759813951
• [備考] Eiji Ohtani - Tohoku University
  • URL: http://epms.es.tohoku.ac.jp/minphys/ohtani/eindex_ohtani.html
• [備考] OHTANI Eiji - Tohoku University
  • URL: http://db.tohoku.ac.jp/whois/e_detail/9964bb514897cf4c21b0438da2929547.html
• [備考] Ohtani Laboratory
  • URL: http://epms.es.tohoku.ac.jp/minphys/index.html