超高圧地球科学:最下部マントル・中心核の物質学

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19674003
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 廣瀬 敬 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (50270921)
• キーワード: マントル / 核 / ポストペロフスカイト / 超高圧

研究概要

本研究は地球の最下部マントルおよび中心核に相当する超高圧高温状態を実験室で実現し、地球深部の物性を実験的に明らかにしようとするものである。本研究で開発した、内核に相当する超高圧・超高温の発生技術を用いて、今年度はFeOの状態図を作成した。実験は324万気圧、4180Kまでの条件で行った。その結果、外核中部に相当する圧力温度条件下(240万気圧、4000K)で塩化ナトリウム型構造から塩化セシウム型構造へと結晶構造が変化することを見出した。FeOが塩化セシウム型構造をとることは従来知られていなかった。外核が酸素を含む場合、外核の液体金属中でも鉄-酸素間の結合は、固体の構造転移と同じように変化すると考えられる。このことは同様の固体相転移を起こす、アルカリハライドに関する過去の研究からも示唆される。液体FeOの構造変化は負のクラペイロン勾配を持っていると考えられるため、外核の対流に大きな影響がある可能性がある。そこで数値シミュレーションを行った結果、対流は外核中位で遮断され、二層対流となることがわかった。その他、Fe-10%Ni合金のfcc-hcp相境界を内部抵抗加熱式のダイヤモンドセルを用いて精密に決定した。相境界をより高圧へ外挿した結果、内核の圧力温度下ではhcp相単相となることがわかった。また、FeOの塩化ナトリウム型構造相・ヒ化ニッケル型構造相の両者につき、絶縁体・金属転移が起こる圧力温度条件を決定し、地球のコア・マントル境界の環境下では金属のFeOが安定であることが明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal structures of(Mg_<1-x>,Fe_x)SiO_3 post-perovskite at high pressures (2012)
  • 著者名/発表者名: Yamanaka, T., Hirose, K., Mao, W.L., Meng, Y., Ganesh, P., Shulenburger, L., Shen, G., Hemley, R.J.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of USA 巻: 109 ページ: 1035-1040
  • DOI: doi:10.1073/pnas.1118076108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental and theoretical evidence for pressure-induced metallization in FeO with rocksalt-type structure (2012)
  • 著者名/発表者名: Ohta, K., Cohen, R.E., Hirose, K., Haule, K., Shimizu, K., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 108 ページ: 026403
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-situ X-ray diffraction measurements of the fcc-hcp phase transition boundary of an Fe-Ni alloy in an internally-heated diamond anvil cell (2012)
  • 著者名/発表者名: Komabayashi, T., Hirose, K., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 39 ページ: 329-338
  • DOI: doi:10.1007/s00269-012-0490-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin crossover and iron-rich silicate melt in the Earth's deep mantle (2011)
  • 著者名/発表者名: Nomura, R., Ozawa, H., Tateno, S., Hirose, K., Hernlund, J., Muto, S., Ishii, H., Hiraoka, N.
  • 雑誌名: Nature 巻: 473 ページ: 199-202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase transition in FeO and stratification in Earth's outer core (2011)
  • 著者名/発表者名: Ozawa, H., Takahashi, F., Hirose, K., Ohishi, Y., Hirao, N.
  • 雑誌名: Science 巻: 334 ページ: 792-794
  • 査読あり
• [雑誌論文] The valence state and partitioning of iron in Earth's lowermost mantle (2011)
  • 著者名/発表者名: Sinmyo, R., Hirose, K., Muto, S., Ohishi, Y., Yasuhara, A.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 116 ページ: B07205
  • DOI: doi:10.1029/2010JB008179
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermoelastic property and high-pressure stability of Fe_7C_3 : Implication for iron-carbide in the Earth's core (2011)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, Y., Takahashi, E., Sata, N., Nishihara, Y., Hirose, K., Funakoshi, K., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 96 ページ: 1158-1165
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stabilities of NAL and Ca-ferrite-type phases on the join NaAlSiO_4-MgAl_2O_4 at high pressure (2011)
  • 著者名/発表者名: Imada, S., Hirose, K., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 38 ページ: 557-560
  • DOI: doi:10.1007/s00269-011-0427-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure-induced structural evolution of pyrite-type SiO_2 (2011)
  • 著者名/発表者名: Kuwayama, Y., Hirose, K.,Sata, N., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 38 ページ: 591-597
  • DOI: doi:10.1007/s00269-011-0431-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin crossover, structural change, and metallization in FeO with NiAs-type structure (2011)
  • 著者名/発表者名: Ozawa, H., Hirose, K., Ishii, H., Hiraoka, N., Ohishi, Y., Seto, Y.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 84 ページ: 134417
  • 査読あり
• [雑誌論文] A perovskititic lower mantle inferred from high pressure and temperature sound velocity data (2011)
  • 著者名/発表者名: Murakami, M., Ohishi, Y., Hirao, N., Hirose, K.
  • 雑誌名: Nature 巻: (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Compression of Na_<0.4>Mg_<0,6>Al_<1.6>Si_<0.4>O_4 the NAL arid Ca-ferrite type phases (2011)
  • 著者名/発表者名: Imada, S., Hirose, K., Komabayashi, T., Suzuki, T., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: (in press)
  • 査読あり
• [学会発表] Discovery of post-perovskite and its geophysical implications (Keynote talk) (2011)
  • 著者名/発表者名: Hirose, K.
  • 学会等名: International Union of Crystallography-22^<nd> Congress
  • 発表場所: Madrid
  • 年月日: 2011-08-24
• [学会発表] The High Conductivity of Iron and Thermal Evolution of the Earth's Core" (Ringwood Medal Talk) (2011)
  • 著者名/発表者名: Hirose, K.
  • 学会等名: Goldschmidt Conference 2011
  • 発表場所: Prague
  • 年月日: 2011-08-15