窒化物地球化学の創成：高温高圧実験による地球深部における窒素の存在状態の解明

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K13600
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 鍵 裕之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70233666)
• 研究分担者: 篠崎 彩子 名古屋大学, 環境学研究科, 学振特別研究員(PD) (80570506) ; 岡田 卓 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (90343938) [辞退] ; 佐野 有司 東京大学, 大気海洋研究所, 教授 (50162524)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 窒素 / 下部マントル / 高温高圧実験

研究実績の概要

窒素は大気の主成分であり、生命活動にも欠かすことができない元素であるが、地球深部での挙動と濃度は十分に理解されていない。本研究ではマントル、特に下部マントルを構成する鉱物への窒素の取り込みについて高温高圧実験と二次イオン質量分析計を用いた測定から取り組んだ。
下部マントルの主要鉱物であるブリッジマナイトへの窒素固溶量を求めることを当初の目標として研究に着手した。愛媛大学地球深部ダイナミクスセンターの共同利用により、マルチアンビル高温高圧発生装置を用いて下部マントルに相当する温度圧力条件で下部マントル鉱物の合成を行った。出発試料には窒素源として窒素同位体(15N)でラベルをした硝酸アンモニウムを用いて、大気起源の窒素と区別できるように工夫した。
回収試料にはブリッジマナイト(MgSiO3)、スティショバイト(SiO2)、ペリクレース(MgO)の結晶が生成した。これらの結晶を対象として、大気海洋研究所のNanoSIMSを利用して窒素を酸化物イオンとして検出した。ブリッジマナイトとスティショバイトについてはSiOイオンで規格化することで窒素量の比較を行った。
ここで挙げた３つの鉱物からはいずれも窒素が検出された。これまでブリッジマナイトについては20 ppm程度の窒素が溶け込むことがYoshioka et al.(2018)で報告されているが、本研究の結果ではスティショバイト、ペリクレースにブリッジマナイトよりも多くの窒素をが取り込まれうることを示唆している。
今後はSIMS分析のための標準試料を作成し、精密な定量分析を行う予定である。本研究により、下部マントルが重要な窒素のリザーバーとなり得ることが明らかになった。今後の研究の発展が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] High-Pressure High-Temperature Study of Benzene: Refined Crystal Structure and New Phase Diagram up to 8 GPa and 923 K (2018)
  • 著者名/発表者名: Chanyshev Artem D.、Litasov Konstantin D.、Rashchenko Sergey V.、Sano-Furukawa Asami、Kagi Hiroyuki、Hattori Takanori、Shatskiy Anton F.、Dymshits Anna M.、Sharygin Igor S.、Higo Yuji
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 18 ページ: 3016～3026
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.8b00125
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Behavior of intermolecular interactions in α-glycine under high pressure (2018)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki Ayako、Komatsu Kazuki、Kagi Hiroyuki、Fujimoto Chikako、Machida Shinichi、Sano-Furukawa Asami、Hattori Takanori
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 148 ページ: 044507～044507
  • DOI: 10.1063/1.5009980
  • 査読あり
• [雑誌論文] A fluorenylidene-acridane that becomes dark in color upon grinding - ground state mechanochromism by conformational change (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Tsuyoshi、Okada Hiroshi、Nakagawa Takafumi、Komatsu Kazuki、Fujimoto Chikako、Kagi Hiroyuki、Matsuo Yutaka
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 9 ページ: 475～482
  • DOI: 10.1039/C7SC03567E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Raman spectroscopic determination of Sr/Ca ratios of calcite samples (2017)
  • 著者名/発表者名: Shibano Yusuke、Takahata Kohei、Kawano Jun、Watanabe Tsuyoshi、Enomoto Daisuke、Kagi Hiroyuki、Kamiya Natsumi、Yamamoto Junji
  • 雑誌名: Journal of Raman Spectroscopy 巻: 48 ページ: 1755～1761
  • DOI: 10.1002/jrs.5235
  • 査読あり
• [雑誌論文] Trace element composition and U-Pb age of zircons from Estherville: Constraints on the timing of the metal-silicate mixing event on the mesosiderite parent body (2017)
  • 著者名/発表者名: Haba Makiko K.、Yamaguchi Akira、Kagi Hiroyuki、Nagao Keisuke、Hidaka Hiroshi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 215 ページ: 76～91
  • DOI: 10.1016/j.gca.2017.07.028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bulk moduli and equations of state of ice VII and ice VIII (2017)
  • 著者名/発表者名: Klotz S.、Komatsu K.、Kagi H.、Kunc K.、Sano-Furukawa A.、Machida S.、Hattori T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 174111
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.174111
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Note: Development of a new Bridgman-type high pressure cell for accurate dielectric measurements (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamane R.、Komatsu K.、Kagi H.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 88 ページ: 046104～046104
  • DOI: 10.1063/1.4980154
  • 査読あり
• [学会発表] Incorporation of nitrogen into the lower-mantle minerals under high pressure and high temperature (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kagi
  • 学会等名: FY2017 General Meeting / International Symposium, Interaction and Coevolution of the Core and Mantle
  • 国際学会
• [学会発表] 高温高圧実験からみたマントル鉱物への窒素取り込み (2017)
  • 著者名/発表者名: 鍵 裕之, 福山 鴻, 井上 徹, 柿澤 翔, 新名 亨, 高畑 直人, 佐野 有司
  • 学会等名: 日本地球化学会
• [学会発表] 高温高圧下における下部マントル鉱物への窒素の固溶 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鍵 裕之, 福山 鴻, 井上 徹, 柿澤 翔, 新名 亨, 高畑 直人, 佐野 有司
  • 学会等名: 日本鉱物科学会