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2020 年度 実施状況報告書

地球内部条件における鉄水素化物の安定性および水素量の解明

研究課題

研究課題/領域番号 20K14572
研究機関広島大学

研究代表者

柿澤 翔  広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 助教 (10846819)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード金属鉄 / 水素 / 地球内部 / 放射線X線回折 / 中性子回折
研究実績の概要

地球深部には、金属鉄や水の存在が示唆されている。地球深部に存在することが示唆されている鉄の多くが水によって鉄水素化物になっているとする仮説が提唱されている。しかし、天然での発見の困難さや観測に制約があることから、その存在や水素量の決定に至っていない。さらに、鉄水素化物の安定性・水素の最大固溶量など基礎的な情報が全く明らかになっていない状況である。このため、地球深部において鉄水素化物はどの結晶構造で存在し、どのくらいの水素量を固溶可能か明らかになっていない。本研究は、地球深部条件下における鉄水素化物の安定性や結晶構造、水素量を高温高圧その場観察実験によって解明し、その仮説の当否を明らかにする。
2020年度では、水素が飽和した条件でのFe-H系の温度圧力相図の再検討を行った。近年の研究報告されてきた相図と従来使用されてきた相図のfcc-dhcp境界に違いが見られたため、放射光X線と高圧装置を組み合わせ決定を行った。これまで相境界を決定してきた研究よりも、それぞれの温度圧力で長時間保持することや昇温降温両方で相転移を確認するなど丁寧な実験を行い、先行研究よりも精度良く相境界を決定した。その結果、fcc-dhcp相境界は従来の報告よりも高温側に位置することが明らかになり長年使用されてきた相図を覆す結果となった。
また、高温高圧下における中性子回折実験の技術開発を行った。高圧セルサイズやアンビル先端サイズの最適化により最大15GPa, 1000Kでの中性子回折実験が可能になった。

現在までの達成度 (区分)
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

2020年度は放射光X線によるhcp-dhcp境界の決定を行い従来の相図を覆す結果を得られた。また、高温高圧下における中性子回折実験の開発により世界に先駆け15GPa領域での高温高圧中性子実験を行うことが可能になった。次年度は開発を行った中性子回折実験法を用いて高温高圧下におけるhcp水素化物の水素位置・水素量・水素誘起体積膨張率の決定を行う。

今後の研究の推進方策

2020年度に開発を行った高温高圧下における中性子回折実験法を用いて12-15 GPa, 300-900 Kにおけるhcp鉄水素化物の水素位置・水素量・水素誘起体積膨張率を決定する。これらを決定することによって放射光X線を用いて高温高圧下におけるhcp水素化物の水素量を決定が可能になり、P-T-x相図の決定を迅速に行うことが可能になる。また、引き続き高温高圧下における中性子回折実験法の開発を行い、実験可能圧力範囲の拡大を目指す。

次年度使用額が生じた理由

昨年度は新型コロナウイルスの影響で国内外の学会等の出張が少なく翌年度に繰越を行った。繰り越した助成金はアンビルなどの消耗品や備品等の購入に充てる予定である。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] High-pressure and high-temperature neutron-diffraction experiments using Kawai-type multi-anvil assemblies2021

    • 著者名/発表者名
      Sano-Furukawa Asami、Kakizawa Sho、Shito Chikara、Hattori Takanori、Machida Shinichi、Abe Jun、Funakoshi Ken-ichi、Kagi Hiroyuki
    • 雑誌名

      High Pressure Research

      巻: 41 ページ: 65~74

    • DOI

      10.1080/08957959.2020.1867723

  • [雑誌論文] High nitrogen solubility in stishovite (SiO2) under lower mantle conditions2020

    • 著者名/発表者名
      Fukuyama Ko、Kagi Hiroyuki、Inoue Toru、Kakizawa Sho、Shinmei Toru、Hishita Shunichi、Takahata Naoto、Sano Yuji
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41598-020-67621-2

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] In situ X-ray and neutron diffraction studies of hcp iron hydride2020

    • 著者名/発表者名
      S. Kakizawa, H. Kagi, C. Shito, H. Saitoh, Y. Higo, Y. Tange, A. Sano-Furukawa, T. Hattori, and K. Aoki
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2020年大会(JpGU2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] Temperature dependence on nitrogen solubility in bridgmanite under lower mantle conditions: its role in formation of deep nitrogen reservoir through solidification of magma ocean2020

    • 著者名/発表者名
      K. Fukuyama, H. Kagi, T. Inoue, S. Kakizawa, T. Shinmei, S. Hishita, N. Takahata, and Y. Sano
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2020年大会(JpGU2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] High-PT neutron diffraction experiments on guyanaite: Pressure-temperature dependence of hydrogen bonding in hydrous minerals2020

    • 著者名/発表者名
      C. Shito, H. Kagi, A. Sano-Furukawa, S. Kakizawa, K. Komatsu, K. Aoki, R. Iizuka-Oku, S. Machida, N. Furukawa, and A. Suzuki
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合2020年大会(JpGU2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] 高温高圧中性子回折によるhcp-FeHxの水素位置の検討2020

    • 著者名/発表者名
      柿澤翔, 鍵裕之, 市東力, 佐野亜沙美, 服部高典, 青木勝敏
    • 学会等名
      第61回高圧討論会
  • [学会発表] 高温高圧中性子回折によるfcc Fe0.9Ni0.1水素化物の結晶構造解析2020

    • 著者名/発表者名
      市東力, 鍵裕之, 柿澤翔, 森悠一郎, 飯塚理子, 青木勝敏, 齋藤寛之, 阿部淳, 佐野亜沙美, 服部高典
    • 学会等名
      第61回高圧討論会
  • [学会発表] 高圧下におけるPhase Eggの水素位置の決定2020

    • 著者名/発表者名
      柿澤翔, 鍵裕之, 佐野亜沙美, 小松一生, 市東力, 服部高典, 西真之, 井上徹
    • 学会等名
      日本鉱物科学会2020年
  • [学会発表] 下部マントル条件下におけるbridgmanite (MgSiO3)中の窒素取り込み量への温度依存性および鉄固溶量の影響2020

    • 著者名/発表者名
      福山鴻, 鍵裕之, 井上徹, 柿澤翔, 新名亨, 三河内岳, 佐野有司, C_cile Deligny, Evelyn Fu_ri
    • 学会等名
      日本鉱物科学会2020年

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公開日: 2021-12-27  

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