高温高圧実験で探る地球中心核の熱伝導率と地球熱進化

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04861
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 太田 健二 東京工業大学, 理学院, 准教授 (20727218)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 地球中心核 / 熱伝導率 / 鉄合金 / 高温高圧実験

研究実績の概要

超高温高圧環境の地球中心から地表までの間に存在する大きな熱勾配は融体金属からなる地球外核と固体マントルの対流を引き起こし、約40億年間続くとされる地磁気の生成やプレート運動などの地球のダイナミクスの原動力となっている。熱伝導率は地球内部の温度構造と熱進化、ダイナミクスを探るための基礎的な物理量であるにも関わらず、実際の地球中心核の温度圧力条件での測定例は殆ど存在しない。本研究の目的は、地球の核を構成する鉄ー軽元素合金の熱伝導率を実際の地球中心核の温度圧力条件で実測することである。実験で得られた核構成物質の熱伝導率から初期地球温度や地球内部の冷却過程、内核形成時期などの地球の熱進化に制約を与える。
研究代表者がこれまでに培った高温高圧下その場熱伝導率測定手法を用い、様々な化学組成の鉄ー軽元素合金を対象に広い温度圧力範囲における高確度かつ高精度の熱伝導率データを蒐集する。平成29年度は地球中心核の主成分である純鉄を試料として、その熱物性に関する研究を行った。その結果、純鉄の熱伝導率には大きな結晶方位異方性があることがわかった。また、結晶方位異方性を考慮しても先行研究との相違が説明できないことから伝統的に用いられていた金属の熱伝導率と電気抵抗率との関係式に補正が必要な可能性がある。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成29年度の研究のゴールとして設定した地球中心核条件での六方最密充填構造の鉄の熱伝導率測定にはまだ至っていないが、実験手法の高精度化や、結晶方位を考慮した熱物性研究など、今後の研究に活かすことが出来る研究の進展があった。特に、内部抵抗加熱法を導入したことによって、これまでのレーザー加熱による高温発生よりも温度勾配が小さく、加熱安定性の良い実験を行えるようになった。

今後の研究の推進方策

平成29年度に本研究課題を遂行する上で必要な技術開発の殆どが完了したといってよい。次年度以降は指導学生と分担し、さまざまな鉄合金の高温高圧下での高精度・高確度熱伝導率測定実験を行って行く。

研究成果

• [国際共同研究] ソルボンヌ大学(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ソルボンヌ大学
• [雑誌論文] Measurements of sound velocity in iron?nickel alloys by femtosecond laser pulses in a diamond anvil cell (2018)
  • 著者名/発表者名: Wakamatsu Tatsuya、Ohta Kenji、Yagi Takashi、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 45 ページ: 589～595
  • DOI: 10.1007/s00269-018-0944-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] The influence of sulfur on the electrical resistivity of hcp iron: Implications for the core conductivity of Mars and Earth (2017)
  • 著者名/発表者名: Suehiro Sho、Ohta Kenji、Hirose Kei、Morard Guillaume、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 44 ページ: 8254～8259
  • DOI: 10.1002/2017GL074021
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The effect of iron and aluminum incorporation on lattice thermal conductivity of bridgmanite at the Earth's lower mantle (2017)
  • 著者名/発表者名: Okuda Yoshiyuki、Ohta Kenji、Yagi Takashi、Sinmyo Ryosuke、Wakamatsu Tatsuya、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 474 ページ: 25～31
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2017.06.022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lithium polyhydrides synthesized under high pressure and high temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka Takahiro、Kuno Keiji、Ohta Kenji、Sakata Masafumi、Nakamoto Yuki、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo、Shimizu Katsuya、Kume Tetsuji、Sasaki Shigeo
  • 雑誌名: Journal of Raman Spectroscopy 巻: 48 ページ: 1222～1228
  • DOI: 10.1002/jrs.5183
  • 査読あり
• [学会発表] Formation of non-stoichiometric fcc and hcp FeHx at high pressure and temperature conditions (2017)
  • 著者名/発表者名: Tagawa, S., Ohta, K., Yagi, T., Hirose, K., Ohishi, Y.
  • 学会等名: High-Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Lattice thermal conductivity of (Mg,Fe)O solid solutions (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, A., Ohta, K., Yagi, T., Hirose, K., Kondo, T.
  • 学会等名: High-Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] The influence of sulfur on the electrical resistivity of hcp iron: implications for the core conductivity of Mars and Earth (2017)
  • 著者名/発表者名: Suehiro, S., Ohta, K., Hirose, K., Morard, G., Ohishi, Y.
  • 学会等名: High-Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Measurements of sound velocity in iron-nickel alloys by femtosecond laser pulses in a diamond anvil cell (2017)
  • 著者名/発表者名: Wakamatsu, T., Ohta, K., Yagi, T., Hirose, K., Ohishi, Y.
  • 学会等名: High-Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Compressional and pressure-temperature dependence of the thermal conductivity of bridgmanite (2017)
  • 著者名/発表者名: Okuda, Y., Ohta, K., Yagi, T., Sinmyo, R., Wakamatsu, T., Hirose, K.
  • 学会等名: High-Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
  • 国際学会
• [学会発表] Is thermal conductivity of hcp iron anisotropic? (2017)
  • 著者名/発表者名: Ohta, K., Sato, Y., Nishihara, Y., Yagi, T., Hirose, K., Kawaguchi, S., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • 学会等名: High-Pressure Mineral Physics Seminar (HPMPS-9)
  • 国際学会
• [備考] 研究代表者の個人ホームページ
  • URL: http://kenjiohta-uhpr.sakura.ne.jp/Kenji_Ohtas_homepage/Welcome.html