マルチ元素３安定同位体物質反応解読法の開発

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K04108
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 田中 亮吏 岡山大学, 惑星物質研究所, 教授 (00379819)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 安定同位体 / ケイ素同位体 / 遷移元素同位体 / 物質反応過程 / 質量依存分別 / エンスタタイトコンドライト

研究実績の概要

安定同位体は、様々な化学・生物反応過程において、質量依存分別を生じるため、自然界における物質反応過程を解読する為の優れたトレーサーである。一方で、安定同位体は個々の反応過程において、平衡論的同位体効果(EIE)と速度論的同位体効果(KIE)を生じるが、２つの同位体（＝１つの同位体比）では、EIEとKIEを判別する術を持たない。これを解決するのが、３安定同位体法である。本研究では、申請者がこれまで開発してきた３酸素同位体解析法に加え、ケイ素と遷移元素等の安定同位体解析法を開発し、小惑星や初期惑星系における固液気相間反応過程、初期惑星表層における生命活動痕跡解読、初期地球表層温度推定等の研究に応用することを目的としている。
令和２年度には、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、クロム、カルシウム同位体分析方法の開発および酸素・ケイ素同位体分析を用いた応用研究を行った。本研究では、岩石試料から、当該元素の単離技術の開発と改良化、および同位体分析方法の開発を行った。同位体分析については、ケイ素およびニッケルは、マルチコレクター誘導結合プラズマ質量分析計を、クロムおよびカルシウムは、表面電離型質量分析計を、酸素はガスソース同位体比質量分析計を用いた。
応用研究の代表例として、エンスタタイトコンドライト隕石に含まれるコンドリュールおよびユレイライト隕石の酸素とケイ素同位体を用いた研究を行った。ケイ素と酸素同位体の関係性から、コンドリュールが、原始太陽系円盤から早期に形成したメタルと珪酸塩鉱物によって構成される塵が、瞬間的な加熱によって蒸発し、この蒸発したガスと、溶融した珪酸塩メルトの反応によって形成されたものであると結論づけた。この結果は、これらの反応が生じた際の塵とガス全体のSi／Mｇは、星雲内での塵／ガス比や、塵に含まれる金属／珪酸塩鉱物比によって、決定づけられたことを示唆している。

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

ケイ素同位体分析方法の開発および酸素およびケイ素同位体分析を用いた応用研究については、国際誌に１編の論文が受理された。これに加え、酸素同位体を用いた研究については、国際誌に2編出版したほか、１編が投稿中、１編が投稿準備中である。なお、これら４編はいずれも、国際共同研究者を含めた研究成果である。他の同位体分析方法の開発について、ニッケル同位体は論文投稿準備中、マグネシウム、クロムおよびカルシウム同位体は、分析方法開発はすでに終了している。さらに、ケイ素同位体およびニッケル同位体に関する応用研究については、研究協力者および海外共同研究者とともに研究継続中である。以上に示したように、本課題研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

天然試料の同位体組成を用いて、自然界における物質反応過程を解読するためには、個々のプロセスにおいて異なった化学的挙動を示す複数の元素の同位体組成を統合的に解析することが効果的である。令和３年度には、これまでに開発してきた分析方法の統合化を行い、これを地球外物質および生命活動の関与した地質試料への応用研究を行う。これらの研究は、研究協力者（大学院生）および海外共同研究者とともに行う。研究代表者が所属する機関は、JAXAはやぶさ２プロジェクトにおけるPhase2キュレーションに指定されている。そのため、令和３年度には、本研究課題で開発してきた方法を用いて、小惑星リュウグウから回収された試料の分析を行い、小惑星リュウグウの物質進化過程に関する研究も合わせて推進する。この分析にあたっては、限られた試料量から最大限の化学・同位体データを抽出する必要がある。そのため、試料の岩石学的・化学的特徴に応じて、臨機応変に統合的同位体分析法の修正を行いながら、同位体分析を行う。

次年度使用額が生じた理由

国際誌に出版される論文が令和２年度内に受理され、オープンアクセス費の支払いが年度内に行うことを想定していた。論文は令和２年度内に受理されたものの、請求書の発行が令和３年度になったため、これにあたる費用を次年度使用とした。

研究成果

• [国際共同研究] The Open University(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: The Open University
• [国際共同研究] Uppsala University/Stockholm University(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Uppsala University/Stockholm University
• [国際共同研究] Natural History Museum Vienna(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Natural History Museum Vienna
• [国際共同研究] University of Lausanne(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: University of Lausanne
• [国際共同研究] The University of New South Wales/The University of Newcastle(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: The University of New South Wales/The University of Newcastle
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 2
• [雑誌論文] Silicon and oxygen isotope evolution of the inner solar system (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, R., Potiszil, C., Nakamura, E.
  • 雑誌名: The Planetary Science Journal 巻: 2 ページ: －
  • DOI: 10.3847/PSJ/abf490
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distance-dependence from volcano for Asian dust inclusions in Andosols: A key to control soil ability to retain radiocesium (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakao, A., Uno, S., Yanai, J., Kubotera, H., Tanaka, R., Robert A. Root, R. A., Kosaki, T.
  • 雑誌名: Geoderma 巻: 385 ページ: －
  • DOI: 10.1016/j.geoderma.2020.114889
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Comment on: ‘A simple cryogenic method for efficient measurement of triple oxygen isotopes in silicates’ by Ghoshmaulik et al. (Rapid Commun Mass Spectrom. 2020;34(18):e8833) (2020)
  • 著者名/発表者名: Miller, M. F., Tanaka. R., Greenwood, R. C.
  • 雑誌名: Rapid Communications in Mass Spectrometry 巻: 34 ページ: －
  • DOI: 10.1002/rcm.8913
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Albedo of Ryugu: Evidence for a High Organic Abundance, as Inferred from the Hayabusa2 Touchdown Maneuver (2020)
  • 著者名/発表者名: Potiszil, C., Tanaka, R., Kobayashi, K., Kunihiro, T., Nakamura, E.
  • 雑誌名: Astrobiology 巻: July ページ: 916-921
  • DOI: 10.1089/ast.2019.2198
  • 査読あり / オープンアクセス
• [備考] 大量の有機物からなる小惑星「リュウグウ」
  • URL: https://pml.misasa.okayama-u.ac.jp/pages/projects/ryugu-albedo-2020.php
• [備考] Discussing Science
  • URL: https://pml.misasa.okayama-u.ac.jp/pages/news/ryocomm2020rpcms.php