高圧液体の挙動と初期地球進化

2020 年度 実績報告書

• 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) ; 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) ; 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)
• 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、高圧高温下における含水シリケイトガラスと金属鉄の融解実験を行い、コア形成時に、金属とシリケイト（コアとマントル）間で水素がどう分配されたかを明らかにすることができた。さらに、地球の集積とコア形成を同時に扱ったモデルをたて、シリケイト側（マントル＋地殻＋海）に現在存在する水の量を残す場合、コアには3000から6000ppmの水素が含まれているはずであることを突き止めた。地球外核の密度が液体純鉄よりもおよそ８％小さいことはよく知られている。上記の水素量はコアの密度低下の３割から６割を説明する。つまり、水素は地球コアの主要な軽元素である可能性が高い。今回得られたモデルは、同時に、地球以外の地球型（岩石）惑星・衛星でも、その質量が地球の１０％を超えると、その金属コアに水素が大量に溶け込んでいる可能性が高いことも明らかになった。また、ケイ素は鉄合金中で最も高い不純物抵抗を示すことから、Fe-Si合金の熱伝導率は地球コアのそれの最低値を示すとされる。そこで、Fe-Si合金の電気抵抗率・熱伝導率の温度依存性を、内部抵抗加熱式のダイヤモンドセル装置を用いて、精密に測定することに成功した。その結果、地球コアの熱伝導率はその最上部において79W/m/Kであり、今回の精密測定の結果も、コアの高い熱伝導率を支持する。従って、内核誕生以前のコアの対流は、熱的な浮力ではなく、化学的な浮力によって駆動されてきた可能性が高いことが明らかになった。その他、下部マントルの主要鉱物、ブリッジマナイトやポストペロフスカイトの熱伝導率についても重要な成果が得られた。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2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] 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] A cylindrical SiC heater for an externally heated diamond anvil cell to 1500 K (2021)
  • 著者名/発表者名: Okuda Yoshiyuki、Kimura Seiji、Ohta Kenji、Park Yohan、Wakamatsu Tatsuya、Mashino Izumi、Hirose Kei
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 015119～015119
  • DOI: 10.1063/5.0036551
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental evidence for hydrogen incorporation into Earth’s core (2021)
  • 著者名/発表者名: Tagawa, S., Sakamoto, N., Hirose, K., Ohishi, Y., Yurimoto, H.
  • 雑誌名: Nature Communications, 巻: 12 ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] The pressure-induced local structural change around tungsten in silicate glass (2021)
  • 著者名/発表者名: Ozawa, K., Hirose, K., Kuwayama, Y., Takahashi, Y.
  • 雑誌名: Geochemical Perspectives Letters 巻: in press ページ: -
• [雑誌論文] Practical measurement of the energy resolution for meV-resolved inelastic X-ray scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 28 ページ: 804～811
  • DOI: 10.1107/S1600577521003234
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Collective dynamics of liquid acetone investigated by inelastic X-ray scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: Hosokawa Shinya、Kamiyama Takashi、Yoshida Koji、Yamaguchi Toshio、Tsutsui Satoshi、Baron Alfred Q.R.
  • 雑誌名: Journal of Molecular Liquids 巻: 332 ページ: 115825～115825
  • DOI: 10.1016/j.molliq.2021.115825
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature-gradient analyzers for non-resonant inelastic X-ray scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 28 ページ: 756～768
  • DOI: 10.1107/S160057752100179X
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chemical compositions of the outer core examined by first principles calculations (2020)
  • 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-8 (2020)
  • 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] Stability of fcc phase FeH to 137 GPa (2020)
  • 著者名/発表者名: Kato Chie、Umemoto Koichiro、Ohta Kenji、Tagawa Shoh、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 105 ページ: 917～921
  • DOI: 10.2138/am-2020-7153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuwayama Yasuhiro、Morard Guillaume、Nakajima Yoichi、Hirose Kei、Baron Alfred Q.?R.、Kawaguchi Saori I.、Tsuchiya Taku、Ishikawa Daisuke、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.165701
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of sulfur on sound velocity of liquid iron under Martian core conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishida Keisuke、Shibazaki Yuki、Terasaki Hidenori、Higo Yuji、Suzuki Akio、Funamori Nobumasa、Hirose Kei
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15755-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Silicon‐Depleted Present‐Day Earth's Outer Core Revealed by Sound Velocity Measurements of Liquid Fe‐Si Alloy (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Yoichi、Kawaguchi Saori I.、Hirose Kei、Tateno Shigehiko、Kuwayama Yasuhiro、Sinmyo Ryosuke、Ozawa Haruka、Tsutsui Satoshi、Uchiyama Hiroshi、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 125 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2020JB019399
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sound Velocity of Liquid Fe?P at High Pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Daisuke、Nakajima Yoichi、Kuwayama Yasuhiro、Hirose Kei、Iwamoto Asaki、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: physica status solidi (b) 巻: 257 ページ: 2000171～2000171
  • DOI: 10.1002/pssb.202000171
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Resistivity saturation of hcp Fe-Si alloys in an internally heated diamond anvil cell: A key to assessing the Earth's core conductivity (2020)
  • 著者名/発表者名: Inoue Hayato、Suehiro Sho、Ohta Kenji、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 543 ページ: 116357～116357
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116357
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal conductivity of Fe-bearing post-perovskite in the Earth's lowermost mantle (2020)
  • 著者名/発表者名: Okuda Yoshiyuki、Ohta Kenji、Hasegawa Akira、Yagi Takashi、Hirose Kei、Kawaguchi Saori I.、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 547 ページ: 116466～116466
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116466
  • 査読あり
• [雑誌論文] New pressure-induced phase transition to Co2Si-type Fe2P (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, Y., Araki, S., Kinoshita, D., Hirose, K., Tateno, S., Kawaguchi, S. I., Hirao, N.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 105 ページ: 1752-1755
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous compressibility in (Fe,Al)-bearing bridgmanite: implications for the spin state of iron (2020)
  • 著者名/発表者名: Okuda Yoshiyuki、Ohta Kenji、Sinmyo Ryosuke、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 47 ページ: -
  • DOI: 10.1007/s00269-020-01109-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thermodynamical Modeling of Liquid Fe‐Si‐Mg‐O:Molten Magnesium Silicate Release From the Core (2020)
  • 著者名/発表者名: Helffrich George、Hirose Kei、Nomura Ryuichi
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 47 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2020GL089218
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The thermal conductivity of the Earth's core and implications for its thermal and compositional evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Ohta Kenji、Hirose Kei
  • 雑誌名: National Science Review 巻: 8 ページ: -
  • DOI: 10.1093/nsr/nwaa303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Beryllium polyhydride Be4H8(H2)2 synthesized at high pressure and temperature (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka Takahiro、Fujihisa Hiroshi、Ishikawa Takahiro、Nakagawa Takaya、Kuno Keiji、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo、Shimizu Katsuya、Sasaki Shigeo
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 125402
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.125402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Compression experiments to 126 GPa and 2500 K and thermal equation of state of Fe3S: Implications for sulphur in the Earth's core (2020)
  • 著者名/発表者名: Thompson Samuel、Komabayashi Tetsuya、Breton Helene、Suehiro Sho、Glazyrin Konstantin、Pakhomova Anna、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 534 ページ: 116080～116080
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116080
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic observation of MoSiBTiC alloy phase transitions using in situ ultrahigh-temperature X-ray diffraction measurement (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukuyama Hiroyuki、Ohtsuka Makoto、Sawada Ryogo、Nakashima Haruki、Ohishi Yasuo、Hirao Naohisa、Takata Masaki、Yoshimi Kyosuke
  • 雑誌名: Materialia 巻: 13 ページ: 100867～100867
  • DOI: 10.1016/j.mtla.2020.100867
  • 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 Rocks (2020)
  • 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] Thermal and decompression history of the Lanzo Massif, northern Italy: Implications for the thermal structure near the lithosphere?asthenosphere boundary (2020)
  • 著者名/発表者名: Aoki Tomo、Ozawa Kazuhito、Bodinier Jean-Louis、Boudier Fran?oise、Sato Yuto
  • 雑誌名: Lithos 巻: 372-373 ページ: 105661～105661
  • DOI: 10.1016/j.lithos.2020.105661
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermal state of the upper mantle and the origin of the Cambrian-Ordovician ophiolite pulse: Constraints from ultramafic dikes of the Hayachine-Miyamori ophiolite (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimura Takafumi、Ozawa Kazuhito、Kuritani Takeshi、Iizuka Tsuyoshi、Nakagawa Mitsuhiro
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 105 ページ: 1778～1801
  • DOI: 10.2138/am-2020-7160
  • 査読あり
• [雑誌論文] モホロビチッチ不連続面（Moho）とリソスフェア-アセノスフェア境界（LAB）の一致（MohoLAB）：大陸地殻の進化を支配する重要な境界 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小澤一仁・佐藤侑人・木村皐史・田上創・Hassan Eman Saad Abdelsalam
  • 雑誌名: 新地球 巻: 1 ページ: 3-13
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 一ノ目潟産スピネルかんらん岩捕獲岩を用いた島弧域リソスフェア-アセノスフェア境界領域の復元 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐藤侑人・小澤一仁
  • 雑誌名: 新地球 巻: 1 ページ: 14-20
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] カンブリア-オルドビス紀のオフィオライトパルスの成因と上部マントルの熱状態 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村皐史・小澤一仁
  • 雑誌名: 新地球 巻: 1 ページ: 21-26
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Two-Component Dynamics and the Liquidlike to Gaslike Crossover in Supercritical Water (2020)
  • 著者名/発表者名: Sun Peihao、Hastings J.?B.、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q.?R.、Monaco Giulio
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.256001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin-orbit coupling effects on spin-phonon coupling in Cd2Os2O7 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Taehun、Kim Choong H.、Jeong Jaehong、Park Pyeongjae、Park Kisoo、Lee Ki Hoon、Leiner Jonathan C.、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.、Hiroi Zenji、Park Je-Geun
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.201101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Local self-motion of water through the Van Hove function (2020)
  • 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 E 巻: 102 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.102.032604
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetoelastic excitations in multiferroic hexagonal YMnO3 studied by inelastic x-ray scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: Park Kisoo、Oh Joosung、Lee Ki Hoon、Leiner Jonathan C.、Sim Hasung、Nahm Ho-Hyun、Kim Taehun、Jeong Jaehong、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.、Park Je-Geun
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.085110
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sound Speed in Glassy AsxSe1-x (x=0.4, 0.5 and 0.6) by Inelastic X-Rays Scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: Inui Masanori、Matsuda Kazuhiro、Hosokawa Shinya、Nakajima Yoichi、Tsutsui Satoshi、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: physica status solidi (b) 巻: 257 ページ: 2000134～2000134
  • DOI: 10.1002/pssb.202000134
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The sound velocity of w?stite at high pressures: implications for low-velocity anomalies at the base of the lower mantle (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Ryosuke、Sakamaki Tatsuya、Ohtani Eiji、Fukui Hiroshi、Kamada Seiji、Suzuki Akio、Tsutsui Satoshi、Uchiyama Hiroshi、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 7 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40645-020-00333-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Furnace for Inelastic X‐Ray Scattering from Liquids up to 1600°C (2020)
  • 著者名/発表者名: Baron Alfred Q. R.、Inui Masanori、Ishikawa Daisuke、Matsuda Kazuhiro、Kajihara Yukio、Nakajima Yoichi、Taguchi Kazuhiko、Hattori Yasunori
  • 雑誌名: physica status solidi (b) 巻: 257 ページ: 2000093～2000093
  • DOI: 10.1002/pssb.202000093
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nematic Correlation Length in Iron-Based Superconductors Probed by Inelastic X-Ray Scattering (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Merritt, F. Weber, J.-P Castellan, Th. Wolf, D. Ishikawa, A. H. Said, A. Alatas, R.M. Fernandes, A.Q.R. Baron and D. Reznik
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 ページ: -
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.157001
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Considerations for Spectroscopic Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: A.Q.R. Baron
  • 学会等名: Cavity based XFEL Workshop, European XFEL
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超高温X線回折によるMoSiBTiC合金の相生成・消滅過程の直接測定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大石泰生、平尾直久、福山博之、大塚誠、澤田龍伍、中島治樹、吉見享祐
  • 学会等名: 日本金属学会
  • 国際学会
• [学会発表] Plagioclase peridotite or olivine-plagioclase assemblage in orogenic peridotites: its implications on high-temperature decompression of the subcontinental lithosphere-asthenosphere boundary zone (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Ozawa, C. J. Garrido, Hidas, K. J-L. Bodinier, and T. Aoki
  • 学会等名: European Geosciences Union General Assembly 2020 (on line)
  • 国際学会
• [学会発表] Olivine-plagioclase assemblage in orogenic peridotites: Proxy for the extent of lithosphere thinning and asthenosphere shallowing (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Ozawa, C. J. Garrido, Hidas, K. J-L. Bodinier, and T. Aoki
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合(JpGU)2020年大会 (on line iPoster)
  • 国際学会
• [学会発表] Lithosphere-Asthenosphere Boundary Zone: Material Science Approaches (2020)
  • 著者名/発表者名: 小澤一仁
  • 学会等名: 変成岩などシンポジウム2020 (on line)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Earth’s deep interior revealed by high-pressure experiments (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Hirose
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020