高強度中性子散乱と高分解能電顕によるマントル鉱物の水素配置と水素輸送の統合解析

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01172
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 奥地 拓生 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (40303599)
• 研究分担者: 富岡 尚敬 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (30335418) ; 瀬戸 雄介 神戸大学, 理学研究科, 講師 (10399818)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 中性子散乱 / 透過電子顕微鏡 / マントル含水鉱物 / 水素配置解析 / 水素拡散ダイナミクス

研究実績の概要

地球の水素は、海洋を作る分子の水に加えて、地球内部の含水鉱物が含む水素イオンとしても存在する。含水鉱物の構造の大きなタイプとしては、一定量の水酸基があらかじめ存在することで初めて安定になるものと、陽イオンと水素イオンが不定比で交換できるものの二種類がある。前者の構造は地球内部の比較的浅い場所、後者の構造は比較的深い場所で安定な場合が多い。特に後者が含む水素の量は、全体では海洋水の水素を大きく超える可能性が高いと考えられ、その実態の解明は重要である。
本研究課題の目的は、これらの含水鉱物が含む水素の結晶学的配置と濃度、化学結合状態、及び移動の様式を、中性子散乱と高分解能透過電顕の手法によって解析することである。これらの水素の特性を上記の構造タイプ間において対比することを通して、その挙動の特徴を系統化して理解することを目指した。そのために各構造タイプに属する含水鉱物の高温高圧合成を行い、それらの構造を飛行時間ラウエ単結晶中性子回折の手法によって解析してきた。当該の年度においては、高密度含水マグネシウムケイ酸塩Phase E[～Mg2SiD4O6]の高温条件での水素配置に関する構造解析をさらに進展させることで、その空間分布が温度の上昇とともに拡散した状態へと変化することを明らかにした。加えて、本課題の成果として得られてきた高品質の結晶の一部を用いて、地球内部の鉱物の物質科学特性をその場計測するための国際共同研究プロジェクトに参加をすることで、それぞれのプロジェクトの目的に貢献するとともに、スティショバイト等が含有する地球内部水素の挙動の理解も進展させた。以上の研究の成果を国際学術論文および国際会議の場において個別に報告した。

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] テキサス大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: テキサス大学
• [国際共同研究] 延世大学校(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: 延世大学校
• [国際共同研究] 北京高圧科学研究中心(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 北京高圧科学研究中心
• [国際共同研究] 台湾中央研究院(台湾)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 台湾中央研究院
• [雑誌論文] High thermal conductivity of stishovite promotes rapid warming of a sinking slab in Earth's mantle (2022)
  • 著者名/発表者名: Hsieh Wen-Pin、Marzotto Enrico、Tsao Yi-Chi、Okuchi Takuo、Lin Jung-Fu
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 584 ページ: 117477～117477
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117477
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] ハイパワーレーザーを使った惑星物質探査実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生、尾崎典雅
  • 雑誌名: Optronics : 光技術コーディネートジャーナル 巻: 41 ページ: 61-66
• [雑誌論文] Elasticity of Hydrated Al‐Bearing Stishovite and Post‐Stishovite: Implications for Understanding Regional Seismic <i>V</i> _<i>S</i> Anomalies along Subducting Slabs in the Lower Mantle (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yanyao、Fu Suyu、Karato Shun‐ichiro、Okuchi Takuo、Chariton Stella、Prakapenka Vitali B.、Lin Jung‐Fu
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 127 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2021JB023170
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast olivine-ringwoodite transformation during shock compression (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okuchi, Y. Seto, N. Tomioka, T. Matsuoka, B. Albertazzi, N. J. Hartley, Y. Inubushi, K. Katagiri, R. Kodama, T. A. Pikuz, N. Purevjav, K. Miyanishi, T. Sato, T. Sekine, K. Sueda, K. A. Tanaka, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, T. Yabuuchi, M. Yabashi, N. Ozaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 4305
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24633-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast In-Situ Analysis of Shock-Compressed Planetary Materials (2021)
  • 著者名/発表者名: OKUCHI Takuo、OZAKI Norimasa
  • 雑誌名: The Review of High Pressure Science and Technology 巻: 31 ページ: 166～171
  • DOI: 10.4131/jshpreview.31.166
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quasielastic Neutron Scattering for Analyzing Transport Dynamics of Chemically-Bound Hydrogen in Minerals (2021)
  • 著者名/発表者名: OKUCHI Takuo
  • 雑誌名: Nihon Kessho Gakkaishi 巻: 63 ページ: 129～134
  • DOI: 10.5940/jcrsj.63.129
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 天体衝突を記録する結晶の生成過程の超高速その場計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 雑誌名: SPring8/SACLA利用者情報 巻: 26 ページ: 341-348
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Natural and experimental high-pressure, shock-produced terrestrial and extraterrestrial materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Miyahara Masaaki、Tomioka Naotaka、Bindi Luca
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 8 ページ: 59
  • DOI: 10.1186/s40645-021-00451-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Shock impedance amplified impact deformation of zircon in granitic rocks from the Chicxulub impact crater (2021)
  • 著者名/発表者名: Wittmann Axel、Cavosie Aaron J.、Timms Nicholas E.、Ferri?re Ludovic、Rae Auriol、Rasmussen Cornelia、Ross Catherine、Stockli Daniel、Schmieder Martin、Kring David A.、Zhao Jiawei、Xiao Long、Morgan Joanna V.、Gulick Sean P.S.
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 575 ページ: 117201～117201
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117201
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Elucidation of impact event recorded in the lherzolitic shergottite NWA 7397 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Masashi、Miyahara Masaaki、Suga Hiroki、Yamaguchi Akira、Tomioka Naotaka、Sakai Takeshi、Ohfuji Hiroaki、Maeda Fumiya、Ohira Itaru、Ohtani Eiji、Kamada Seiji、Ohigashi Takuji、Inagaki Yuichi、Kodama Yu、Hirao Naohisa
  • 雑誌名: Meteoritics &amp; Planetary Science 巻: 56 ページ: 1729～1743
  • DOI: 10.1111/maps.13735
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complicated pressure?temperature path recorded in the eucrite Padvarninkai (2021)
  • 著者名/発表者名: Miyahara Masaaki、Yamaguchi Akira、Ohtani Eiji、Tomioka Naotaka、Kodama Yu、Righter Kevin
  • 雑誌名: Meteoritics &amp; Planetary Science 巻: 56 ページ: 1443～1458
  • DOI: 10.1111/maps.13724
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 含水鉱物の水素配置と水素輸送の統合解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: 2021年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [学会発表] Laser-Driven Shock Experiments of Planetary Materials for Finding Evolution History of Early Solar System (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi
  • 学会等名: Internaitonal Conference on High Energy Density Sciences 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Transmission electron microscopy of Hayabusa2 particles: How shocked is asteroid Ryugu? (2022)
  • 著者名/発表者名: N. Tomioka, M. Ito, M. Uesugi, A. Yamaguchi, et al.
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Location, capacity and transport of hydrogen in the crystal structures of deep-earth hydrous minerals analyzed by pulsed neutron scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuo Okuchi, Purevjav Narangoo, Naotaka Tomioka, Takeshi Yamada
  • 学会等名: 10th Asian Conference on High Pressure Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パワーレーザー/XFEL利用によるフォルステライトの高速相転移と高速融解 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生, 富岡尚敬, 尾崎典雅, 瀬戸雄介, 兒玉了祐, 宮西宏併, 関根利守, 梅田悠平, 薮内俊毅
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] 衝撃圧縮による惑星物質の高密度原子配列の生成過程 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生
  • 学会等名: SPring-8シンポジウム2021
  • 招待講演
• [学会発表] 非晶質微粒子の高温水質変成過程の中性子準弾性散乱 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生、富岡尚敬、瀬戸雄介、梅田悠平、山田武、玉造博夢、柴田薫
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2021年年会
• [学会発表] 非晶質惑星物質微粒子の水和過程の中性子準弾性散乱解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地拓生、富岡尚敬、瀬戸雄介、梅田悠平、山田武、玉造博夢、柴田薫
  • 学会等名: 日本中性子科学会第21回年会
• [学会発表] MnGeO3ペロブスカイトの変形微細組織と結晶選択配向 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西原遊、安東淳一、富岡尚敬、Hunt Simon, Dobson David, 肥後祐司
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] 静的圧縮によるアルミニウムの微細結晶粒組織の形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中友登・佐野智一・富岡 尚敬・松田 朋己・荒河一渡・奥地拓生
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] 隕石中の高密度ケイ酸塩の形成過程解明にむけてのレーザー衝撃圧縮時間分解X線回折 (2021)
  • 著者名/発表者名: 富岡尚敬
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] 高差応力下におけるカンラン石の無拡散高圧相転移メカニズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 富岡尚敬
  • 学会等名: 第8回HiPeRシンポジウム
  • 招待講演