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2019 年度 実績報告書

高圧液体の挙動と初期地球進化

研究課題

研究課題/領域番号 16H06285
研究機関東京大学

研究代表者

廣瀬 敬  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50270921)

研究分担者 大石 泰生  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主席研究員 (20344400)
舘野 繁彦  東京工業大学, 地球生命研究所, 研究員 (30572903)
小澤 一仁  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90160853)
Alfred Baron  国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, グループディレクター (90442920)
ハーンルンド ジョン  東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (30723712)
研究期間 (年度) 2016-04-26 – 2021-03-31
キーワード初期地球 / 高圧 / 元素分配 / マグマオーシャン / コア形成
研究実績の概要

今年度は、液体鉄-硫黄合金の音速を高圧下で精密に決定する技術の開発に成功し、火星コアの圧力に相当する20万気圧までの測定に成功した。その結果、硫黄量の大小に関わらず、火星コアの圧力範囲では液体鉄-硫黄合金の音速はほぼ一定であること、火星を現在探査中のInSightなどにより、近い将来火星コアの火震波速度があきらかになれば、それと今回の実験結果を直接比較することにより、火星コアが液体鉄-硫黄合金であるかどうかについて決着をつけることができる。また、静的圧縮実験とX線回折実験の組み合わせにより、液体の密度を高圧下で正確に決定する新たな手法の開発に成功した。その結果、地球の外核(液体コア)の主成分である液体鉄の密度をコアの圧力近くまで決定し、観測される外核の圧縮率と液体鉄のそれはほとんど同じであることをあきらかにした。このことは未だ議論がある外核の軽元素の特定に向け、大きな制約になる。その他、コア圧力までの鉄合金同士の液体不混和の観察、Fe2Sなど鉄-軽元素系の鉄に一番近い中間組成物の特定とその結晶構造の決定、コアの熱伝導率決定にとって重要な飽和電気抵抗率の精密決定などに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究実績の概要に記した、静的圧縮法によって、高圧高温下での液体の密度の決定を技術的に可能したことは大きな意味をもつ。高圧発生装置の構造上の制約から、高圧下でX線回折データを取得できる回折角の範囲はどうしても限られる。ゆえに従来は、限られた回折角の範囲の液体ハローパターンから導出される密度には大きな誤差があるとされてきた。しかし今回、原子間距離より短い範囲に他の原子は存在しないという物理的な制約をかけて液体からのハローパターンを観察された回折角を超えて延長することにより、液体の密度が正確に決定できることを見出した。今回はこの手法を地球コアの主成分である液体鉄に応用したが、どの物質にも応用可能な手法であり、今後、高圧下での液体の密度決定に広く応用されると期待される。この手法はPhysical Review Letters誌に詳細に掲載されており、Science誌とNature Reviews Materials誌上でも紹介されている。また、コアの熱史や内核の運動を大きく左右するコアの熱伝導率の理解にあたり、鍵になるのが私たちが提案した電気抵抗率の飽和現象である(Gomi et al., 2013 PEPI; Ohta et al., 2016 Nature)。これはコアに相当する高温までの温度上昇に伴い、鉄の電気抵抗率の上昇が飽和するという現象であり、その詳細な理解には温度を精密にコントロールした実験が欠かせない。そこで今回、従来のレーザー加熱に代わり、温度の安定性と均質性にはるかに優れた内部抵抗加熱式による高温実験に超高圧下で成功し、この電気抵抗率の飽和現象の確認と、その飽和電気抵抗率の精密決定を行うことができた。これらにより、コアの熱伝導率が比較的高いことを再確認した。

今後の研究の推進方策

今後は、今回開発に成功した高圧下の液体の密度決定の手法を使って、液体FeOの密度決定を行う。FeOはマントルの主成分の中で最も低温で融解する端成分であり、SiO2-MgO-FeOの3成分系の共融点もFeO近傍に存在する。つまり、地震学的な観測から、マントルの底にわずかに存在するとされるマグマの組成はFeOに近いはずである。この液体FeOの密度を決定することにより、マントルの底におけるマグマの存在形態を推定することができる。また、これも今回開発に成功した、内部抵抗加熱法と電気抵抗率測定を組み合わせて、いよいよ液体鉄の熱伝導率測定に挑む。またさらに、同様の測定を液体鉄合金についても行うことによって、不純物抵抗を液体中で決定する実験も行う。また、タングステンの配位数変化に関するXAFS実験を進め、地球のコア形成を理解する鍵であるタングステンの挙動につき、あきらかにしていく。

  • 研究成果

    (34件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (18件) (うち国際共著 8件、 査読あり 18件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 13件、 招待講演 10件)

  • [国際共同研究] Institut de Physique du Globe de Paris/Institut de Mineralogie/Universite de Lyon(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Institut de Physique du Globe de Paris/Institut de Mineralogie/Universite de Lyon
  • [国際共同研究] University of California Berkeley/Geophysical Laboratory(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of California Berkeley/Geophysical Laboratory
  • [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      ETH Zurich
  • [雑誌論文] Chemical compositions of the outer core examined by first principles calculations2020

    • 著者名/発表者名
      Umemoto Koichiro、Hirose Kei
    • 雑誌名

      Earth and Planetary Science Letters

      巻: 531 ページ: 116009~116009

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2019.116009

    • 査読あり
  • [雑誌論文] New developments in high-pressure X-ray diffraction beamline for diamond anvil cell at SPring-82020

    • 著者名/発表者名
      Hirao N.、Kawaguchi S. I.、Hirose K.、Shimizu K.、Ohtani E.、Ohishi Y.
    • 雑誌名

      Matter and Radiation at Extremes

      巻: 5 ページ: 018403~018403

    • DOI

      10.1063/1.5126038

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The Ductile‐to‐Brittle Transition Recorded in the Balmuccia Peridotite Body, Italy: Ambient Temperature for the Onset of Seismic Rupture in Mantle Rocks2020

    • 著者名/発表者名
      Ueda Tadamasa、Obata Masaaki、Ozawa Kazuhito、Shimizu Ichiko
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      巻: 125 ページ: e2019JB017385

    • DOI

      10.1029/2019JB017385

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lattice dynamics in FeSe via inelastic x-ray scattering and first-principles calculations2020

    • 著者名/発表者名
      Murai Naoki、Fukuda Tatsuo、Nakajima Masamichi、Kawamura Mitsuaki、Ishikawa Daisuke、Tajima Setsuko、Baron Alfred Q. R.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 035126

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.035126

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Doping-induced in-plane anisotropy of bond-stretching phonon softening in oxychloride Ca2?xCuO2Cl2 compounds2020

    • 著者名/発表者名
      Lebert Blair W.、Yamamoto Hajime、Azuma Masaki、Heid Rolf、Tsutsui Satoshi、Uchiyama Hiroshi、Baron Alfred Q. R.、Baptiste Beno?t、d'Astuto Matteo
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 020506(R)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.020506

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Effect of spin transition of iron on the thermal conductivity of (Fe, Al)-bearing bridgmanite2019

    • 著者名/発表者名
      Okuda Yoshiyuki、Ohta Kenji、Sinmyo Ryosuke、Hirose Kei、Yagi Takashi、Ohishi Yasuo
    • 雑誌名

      Earth and Planetary Science Letters

      巻: 520 ページ: 188~198

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2019.05.042

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The stability of Fe5O6 and Fe4O5 at high pressure and temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Hikosaka Koutaro、Sinmyo Ryosuke、Hirose Kei、Ishii Takayuki、Ohishi Yasuo
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 104 ページ: 1356~1359

    • DOI

      https://doi.org/10.2138/am-2019-7097

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Melting in Fe-FeO to 204 GPa: implications for oxygen in Earth’s core2019

    • 著者名/発表者名
      Oka, K., Hirose, K., Tagawa, S., Kidokoro, Y., Nakajima, Y., Morard, G., Coudurier, N., Fiquet, G.
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 104 ページ: 1603-1607

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fe2S: The Most Fe‐Rich Iron Sulfide at the Earth's Inner Core Pressures2019

    • 著者名/発表者名
      Tateno, S., Ozawa, H., Hirose, K., Suzuki, T., Kawaguchi, S., Hirao, N.
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 46 ページ: 11944~11949

    • DOI

      https://doi.org/10.1029/2019GL085248

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-temperature electrical resistivity measurements of hcp iron to Mbar pressure in an internally resistive heated diamond anvil cell2019

    • 著者名/発表者名
      Suehiro Sho、Wakamatsu Tatsuya、Ohta Kenji、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
    • 雑誌名

      High Pressure Research

      巻: 39 ページ: 579~587

    • DOI

      https://doi.org/10.1080/08957959.2019.1692008

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Static compression of Fe4N to 77 GPa and its implications for nitrogen storage in the deep Earth2019

    • 著者名/発表者名
      H. Breton, T. Komabayashi, S. Thompson, N. Potts, C. McGuire, S. Suehiro, S. Anzellini, and Y. Ohishi
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 104 ページ: 1781~1787

    • DOI

      DOI:10.2138/am-2019-7065

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hydrogen-Storing Salt NaCl(H2) Synthesized at High Pressure and High Temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Matsuoka Takahiro、Muraoka Shu、Ishikawa Takahiro、Niwa Ken、Ohta Kenji、Hirao Naohisa、Kawaguchi Saori、Ohishi Yasuo、Shimizu Katsuya、Sasaki Shigeo
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 123 ページ: 25074~25080

    • DOI

      DOI:10.1021/acs.jpcc.9b06639

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Static compression of B2 KCl to 230 GPa and its P-V-T equation of state2019

    • 著者名/発表者名
      Tateno Shigehiko、Komabayashi Tetsuya、Hirose Kei、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 104 ページ: 718~723

    • DOI

      doi.org/10.2138/am-2019-6779

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reconstruction of the lithosphere-asthenosphere boundary zone beneath Ichinomegata maar, Northeast Japan, by geobarometry of spinel peridotite xenoliths2019

    • 著者名/発表者名
      Sato Yuto、Ozawa Kazuhito
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 104 ページ: 1285~1306

    • DOI

      doi.org/10.2138/am-2019-6858

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Momentum-resolved lattice dynamics of parent and electron-doped Sr2IrO42019

    • 著者名/発表者名
      Dashwood C. D.、Miao H.、Vale J. G.、Ishikawa D.、Prishchenko D. A.、Mazurenko V. V.、Mazurenko V. G.、Perry R. S.、Cao G.、de la Torre A.、Baumberger F.、Baron A. Q. R.、McMorrow D. F.、Dean M. P. M.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 ページ: 085131

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.085131

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Structural studies on fluid sulfur at high temperatures and high pressures: I. Atomic dynamics investigated by inelastic x-ray scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Inui M.、Kajihara Y.、Chiba A.、Matsuda K.、Tsutsui S.、Baron A.Q.R.
    • 雑誌名

      Journal of Non-Crystalline Solids

      巻: 522 ページ: 119571~119571

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.119571

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Local correlated motions in aqueous solution of sodium chloride2019

    • 著者名/発表者名
      Shinohara Yuya、Dmowski Wojciech、Iwashita Takuya、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.、Egami Takeshi
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 3 ページ: 65604

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.065604

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Compact hard x-ray split-delay system based on variable-gap channel-cut crystals2019

    • 著者名/発表者名
      Sun Yanwen、Wang Nan、Song Sanghoon、Sun Peihao、Chollet Matthieu、Sato Takahiro、van Driel Tim B.、Nelson Silke、Plumley Rajan、Montana-Lopez Jordi、Teitelbaum Samuel W.、Haber Johann、Hastings Jerome B.、Baron Alfred Q. R.、Sutton Mark、Fuoss Paul H.、Robert Aymeric、Zhu Diling
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 44 ページ: 2582~2585

    • DOI

      https://doi.org/10.1364/OL.44.002582

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Scientific Highlights from SPring-82020

    • 著者名/発表者名
      Baron Alfred Q. R.
    • 学会等名
      4-Way meeting (ESRF, APS, SPring-8, PETRA)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SiO2 and molten silicate release from the core; implications for dynamo and material transport from the core to mantle2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Hirose
    • 学会等名
      2019 AGU Fall Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hydrogen Limits Carbon in Liquid Iron2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Hirose, Shoh Tagawa, Yasuhiro Kuwayama, Ryosuke Sinmyo and Guillaume Morard
    • 学会等名
      2019 AGU Fall Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Core-mantle partitioning of hydrogen2019

    • 著者名/発表者名
      Kei Hirose, Shoh Tagawa, Naoya Sakamoto, Yasuo Ohishi and Hisayoshi Yurimoto
    • 学会等名
      2019 AGU Fall Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 超高圧実験で見る地球中心核(コア)2019

    • 著者名/発表者名
      廣瀬 敬
    • 学会等名
      JpGU (Japan Geoscience Union) Meeting 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent High-Pressure Structural Analysis by Simultaneous Measurement at SPring-82019

    • 著者名/発表者名
      Yasuo Ohishi
    • 学会等名
      The 4th International Conference on Matter and Radiation at Extremes (ICMRE2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fe2S: The Most Fe-Rich Iron Sulfide at the Earth's Inner Core Pressures2019

    • 著者名/発表者名
      S. Tateno, H., Ozawa, K., Hirose, T., Suzuki
    • 学会等名
      Jaan Geoscience Union Meeting 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermal interaction of the lithosphere and asthenosphere revealed from evolution of spatial and temporal internal variations of temperature and pressure in orogenic peridotite complexes2019

    • 著者名/発表者名
      azuhito Ozawa, Carlos Garrido, Karoly Hidas, and Jean-Loius Bodinier
    • 学会等名
      EGU (European Geoscience Union) General Assembly 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermal interaction of the lithosphere and asthenosphere revealed from internal variations of pressure-temperature history in orogenic peridotite complexes2019

    • 著者名/発表者名
      Kazuhito Ozawa, Carlos Garrido, Karoly Hidas, and Jean-Loius Bodinier
    • 学会等名
      JpGU (Japan Geoscience Union) Meeting 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] A Fluid Approach to High-Resolution Inelastic X-Ray Scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Baron Alfred Q. R.
    • 学会等名
      Workshop on Phonon Lifetimes in Disordered to Complex Materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Inelastic X-ray Scattering with <1 meV Resolution at <1 nm-12019

    • 著者名/発表者名
      Baron Alfred Q. R.
    • 学会等名
      14th International Conference on Non-Crystalline Materials (NCM-14)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Inelastic X-ray Scattering with <1 meV Resolution at <1 nm-1: Investigating Liquid Iron2019

    • 著者名/発表者名
      Baron Alfred Q. R.
    • 学会等名
      The 7th Int. Conf. on Liquids and Amorphous Materials (LAM-17)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent progress in Non-Resonant Inelastic X-Ray Scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Baron Alfred Q. R.
    • 学会等名
      11th International Conference on Inelastic X-Ray Scattering (IXS2019)
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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