超高圧実験による地球コアの軽元素組成の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04968
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 廣瀬 敬 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50270921)
• 研究分担者: 太田 健二 東京工業大学, 理学院, 准教授 (20727218) ; 坂本 直哉 北海道大学, 創成研究機構, 助教 (30466429) ; 梅本 幸一郎 東京工業大学, 地球生命研究所, 研究員 (60726991) ; 圦本 尚義 北海道大学, 理学研究院, 教授 (80191485) ; Alfred Baron 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, グループディレクター (90442920)
• 研究期間 (年度): 2021-05-18 – 2026-03-31
• キーワード: コア / 軽元素 / 鉄合金 / 超高圧 / ダイヤモンドセル

研究実績の概要

本研究の鍵となる水素を含む鉄合金系の実験を集中的に行った。Fe-FeH系はFukai (1992)以来、連続固溶体系と考えられていた。しかし本研究により、Fe-FeH系の融解開始温度が端成分FeHの融解温度よりも十分低いことが明らかとなり、>40GPaでは共融系であることが初めてわかった。さらにFe-FeH系の共融点組成（水素濃度）ならびに固体-液体鉄間の水素の分配を見積もることに成功した。共融点の水素濃度は外核中の水素量の上限を与える、外核-内核間の水素の分配が計算可能になるという意味で、これらは極めて重要な成果と言える。Fe-FeH系の共融点組成が得られたことにより、外核が軽元素に乏しい内核を結晶化するための条件が厳しくなった。そして、この条件を満たす組成範囲と、外核で観測される密度・縦波速度を説明する組成範囲がほとんど重ならない（この２つの制約を満たす組成範囲がかなり狭い）ことがわかった。さらには、本研究の技術開発の目玉であるクライオSIMSの開発に成功し、高圧下でコア（金属鉄）-マントル（シリケイト）間で水素の同位体が大きく分別する結果が得られた。これにより、地球全体の水素同位体比が推定できた上、隕石のデータと比較して地球の炭素／水素比を得ることができた。軽元素同士の大きな相互作用を考慮した、超高圧下での固体鉄（内核）と液体鉄合金（外核）の間の軽元素の分配係数も明らかになった。これらの結果を基に、外核・内核それぞれの軽元素組成を狭い範囲に絞り込むことに成功した。その他、液体鉄合金の密度・速度の測定、リキダス相関係の決定、固体鉄・鉄合金の密度・速度決定、金属-シリケイト間の軽元素分配などを精力的に進めた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

理由は、本研究のゴールである「コアの軽元素組成を狭い範囲に絞り込むこと」に成功したことにある。今回見積もられたコア全体の化学組成はFe0.69-0.70Ni0.04S0.02Si0.02-0.03O0.08-0.12C0.01-0.02H0.08-0.14である。このようにコアの軽元素組成が狭い範囲に制約されたことは、地球の起源（コア形成論、海の起源論、惑星起源論）に重要な貢献を果たす。加えて、今回明らかになった地球全体の水素同位体比から見て、地球に水をもたらした物質はどのタイプの隕石にも当てはまらない。このことは、地球の水の起源を見直す必要があることを意味している。コアの軽元素組成の制約は、コアのダイナミクス、惑星磁場形成メカニズム、熱的・化学的進化の理解への貢献も大きい。コアの熱伝導率は不純物（つまり軽元素）の組成に大きく左右されることがわかっている。今回推定された外核・内核それぞれの組成は水素に富んでおり、水素の不純物抵抗が小さいことから、コアの高い熱伝導率が裏付けられた。これは、液体コアが熱対流を起こすことは難しい、また内核も熱対流していないことを意味している。今回外核の化学組成が狭い範囲に絞り込まれたことを受け、コアの温度を精度良く決定できるようになった。これにより、マントル最下部に観測される超低速度領域が融解によるとすると、マントルの底に溜まった低融点物質を特定できる可能性がある。また、コアとマントル間の温度差はコアの冷却速度を決めるだけでなく、マントル対流の活発さを決めている。このようにコア温度の精密決定はマントルの熱構造や進化、ダイナミクスの理解にも大きな貢献がある。

今後の研究の推進方策

本研究の主目的である「コアの軽元素組成の解明」に関して、本研究ではこれまで６つの独立した制約を基に、コアの組成を狭い範囲に絞り込むことに既に成功している。今後は、未だにコア組成の探索に使用できていない３つの制約（内核の密度・縦波・横波速度）に関する研究を加速させ、内核組成、そしてそこから分配係数を使って計算される外核組成を絞り込む。同時に、現段階でコアの硫黄量の見積もりは始原的隕石の組成に基づいており、本研究が明らかにする鉄-硫黄合金の特性と地震学的観測を制約にした見積もりへと置き換える。また、地球全体の水素同位体比を説明する地球の集積モデルや水の起源に迫る。

より具体的には、液体鉄合金の密度決定をコア圧力下へと圧力範囲を伸ばす。液体Fe-Hの縦波速度の測定を開始し、外核の主要な軽元素である水素と酸素の密度と速度への効果を定量化する。クライオSIMSを用いて、水素を含む鉄合金の状態図の作成をさらに進める。熱力学モデルの構築にも力を注ぐ。内核条件下での固体鉄合金の密度・速度の第一原理計算を加速させて、地震波観測を説明する、内核組成の可能な軽元素組成を広く探索する。固体鉄と鉄合金の速度については、スプリングエイトと東工大で高圧高温の測定を進める。これら実験データを使って理論計算結果の圧力を補正し、より確かな内核組成の制約を行う。液体金属から固体鉄への軽元素の分配については、鍵となる水素の分配の、共存する他の軽元素の影響を調べる。これによって、化学平衡にある内核組成と外核組成の関係を明らかにし、内核組成の制約を外核組成の制約に活かす。これらの結果を用いて、可能なコアの軽元素組成の範囲を常に見直していく。

研究成果

• [国際共同研究] The Universite Grenoble Alpes(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: The Universite Grenoble Alpes
• [国際共同研究] Columbia University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Columbia University
• [雑誌論文] Magnetism and equation of states of fcc FeHx at high pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Gomi, H., Hirose, K.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 108 ページ: 2043～2050
  • DOI: 10.2138/am-2022-8452
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from returned samples (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakamura T.、Matsumoto M.、Amano K.、(Yurimoto H.221名中148番目）
  • 雑誌名: Science 巻: 379 ページ: 379
  • DOI: 10.1126/science.abn8671
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Noble gases and nitrogen in samples of asteroid Ryugu record its volatile sources and recent surface evolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Okazaki Ryuji、Marty Bernard、Busemann Henner、（Yurimoto Hisayoshi 123名中47番目）
  • 雑誌名: Science 巻: 379 ページ: eabo04
  • DOI: 10.1126/science.abo0431
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamic Lone Pair Expression as Chemical Bonding Origin of Giant Phonon Anharmonicity in Thermoelectric InTe (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Jiawei、Ishikawa Daisuke、Koza Michael M.、Nishibori Eiji、Song Lirong、Baron Alfred Q. R.、Iversen Bo B.
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: 135 ページ: e202218458
  • DOI: 10.1002/ange.202218458
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Background rates in several hard X-ray photon counting pixel array detectors (2023)
  • 著者名/発表者名: Baron Alfred Q.R.、Ishikawa Daisuke
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1049 ページ: 168101～168101
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168101
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soluble organic molecules in samples of the carbonaceous asteroid (162173) Ryugu (2023)
  • 著者名/発表者名: Naraoka Hiroshi、Takano Yoshinori、Dworkin Jason P.、（Yurimoto Hisayoshi 115名中34番目）、（Sakamoto Kanako 115名中39番目）
  • 雑誌名: Science 巻: 379 ページ: eabn9033
  • DOI: 10.1126/science.abn9033
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Macromolecular organic matter in samples of the asteroid (162173) Ryugu (2023)
  • 著者名/発表者名: Yabuta Hikaru、Cody George D.、Engrand Cecile、（Yurimoto Hisayoshi 130名中39番目）、（Sakamoto Kanako 130名中43番目）
  • 雑誌名: Science 巻: 379 ページ: eabn9057
  • DOI: 10.1126/science.abn9057
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Composition-dependent thermal equation of state of B2 Fe-Si alloys at high pressure (2023)
  • 著者名/発表者名: Yokoo Shunpei、Edmund Eric、Morard Guillaume、Baron Marzena Anna、Boccato Silvia、Decremps Frederic、Hirose Kei、Pakhomova Anna、Antonangeli Daniele
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 108 ページ: 536～542
  • DOI: 10.2138/am-2022-8067
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Samples returned from the asteroid Ryugu are similar to Ivuna-type carbonaceous meteorites (2023)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Tetsuya、Nagashima Kazuhide、Nakai Izumi、（Sakamoto Kanako 149名中75番目）、（Yurimoto Hisayoshi 149名中75番目）
  • 雑誌名: Science 巻: 379 ページ: eabn7850
  • DOI: 10.1126/science.abn7850
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Collective excitations in a melt of fast phase change material GeCu2Te3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Inui M、Hosokawa S、Tsutsui S、Nakajima Y、Matsuda K、Maruyama K、Baron A Q R
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 35 ページ: 234002～234002
  • DOI: 10.1088/1361-648X/acc2ff
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of chemical interaction and melting using laser-heated diamond-anvil cell (2023)
  • 著者名/発表者名: Fei, Y., Walter, M., Badro, J., Hirose, K., Lord, O., Campbell, A., Ohtani, E.,
  • 雑誌名: Static and Dynamic High Pressure Mineral Physics 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1017/9781108806145
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Compressional wave velocity for iron hydrides to 100 gigapascals via picosecond acoustics (2022)
  • 著者名/発表者名: Wakamatsu Tatsuya、Ohta Kenji、Tagawa Shoh、Yagi Takashi、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 49 ページ: article id.17
  • DOI: 10.1007/s00269-022-01192-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Melting experiments on Fe-C-O to 200?GPa; liquidus phase constraints on core composition (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakai F.、Hirose K.、Umemoto K.
  • 雑誌名: Geochemical Perspectives Letters 巻: 22 ページ: 1～4
  • DOI: 10.7185/geochemlet.2218
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Calculating temperature-dependent X-ray structure factors of α-quartz with an extensible Python 3 package (2022)
  • 著者名/発表者名: Sutter John P.、Pittard James、Filik Jacob、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Journal of Applied Crystallography 巻: 55 ページ: 1011～1028
  • DOI: 10.1107/S1600576722005945
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High‐Pressure Melting Curve of FeH: Implications for Eutectic Melting Between Fe and Non‐Magnetic FeH (2022)
  • 著者名/発表者名: Tagawa Shoh、Helffrich George、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 127 ページ: e2022JB024365
  • DOI: 10.1029/2022JB024365
  • 査読あり
• [雑誌論文] Melting phase relations in Fe-Si-H at high pressure and implications for Earth’s inner core crystallization (2022)
  • 著者名/発表者名: Hikosaka Koutaro、Tagawa Shoh、Hirose Kei、Okuda Yoshiyuki、Oka Kenta、Umemoto Koichiro、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: 10000
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14106-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A cotunnite-type new high-pressure phase of Fe2S (2022)
  • 著者名/発表者名: Oka Kenta、Tateno Shigehiko、Kuwayama Yasuhiro、Hirose Kei、Nakajima Yoichi、Umemoto Koihiro、Tsujino Noriyoshi、Kawaguchi Saori I.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 107 ページ: 1249～1253
  • DOI: 10.2138/am-2022-7959
  • 査読あり
• [雑誌論文] Density determination of liquid iron-nickel-sulfur at high pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi Saori I.、Morard Guillaume、Kuwayama Yasuhiro、Hirose Kei、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 107 ページ: 1254～1261
  • DOI: 10.2138/am-2021-7924
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sound Velocity Measurements of B2‐Fe‐Ni‐Si Alloy Under High Pressure by Inelastic X‐Ray Scattering: Implications for the Composition of Earth's Core (2022)
  • 著者名/発表者名: Dominijanni S.、McCammon C. A.、Ohtani E.、Ikuta D.、Sakamaki T.、Ishii T.、Criniti G.、Dubrovinsky L. S.、Khandarkhaeva S.、Fedotenko T.、Glazyrin K.、Uchiyama H.、Fukui H.、Baron A. Q. R.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2021GL096405
  • DOI: 10.1029/2021GL096405
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation and decomposition of vacancy-rich clinopyroxene in a shocked eucrite: New insights for multiple impact events (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Ai-Cheng、Li Jie-Ya、Chen Jia-Ni、Wen Yuan-Yun、Guo Yan-Jun、Li Yang、Sakamoto Naoya、Yurimoto Hisayoshi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 329 ページ: 38～50
  • DOI: 10.1016/j.gca.2022.05.017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Single crystal elasticity and equation of state of tantalum up to 54 GPa (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukui Hiroshi、Yoneda Akira、Kamada Seiji、Uchiyama Hiroshi、Hirao Naohisa、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 132 ページ: 055902～055902
  • DOI: 10.1063/5.0089667
  • 査読あり
• [雑誌論文] Presolar Stardust in Asteroid Ryugu (2022)
  • 著者名/発表者名: Barosch Jens、Nittler Larry R.、Wang Jianhua、（Yurimoto Hisayoshi 124名中124番目)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 935 ページ: L3～L3
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac83bd
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Melting Experiments on Fe‐O‐H and Fe‐H: Evidence for Eutectic Melting in Fe‐FeH and Implications for Hydrogen in the Core (2022)
  • 著者名/発表者名: Oka Kenta、Ikuta Nagi、Tagawa Shoh、Hirose Kei、Ohishi Yasuo
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2022GL099420
  • DOI: 10.1029/2022GL099420
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Solar System calcium isotopic composition inferred from Ryugu samples (2022)
  • 著者名/発表者名: Moynier F.、Dai W.、Yokoyama T.、（Yurimoto H.94名中94番目）
  • 雑誌名: Geochemical Perspectives Letters 巻: 24 ページ: 1～6
  • DOI: 10.7185/geochemlet.2238
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of molecular shape and flexibility on fast sound of organic liquids (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Tsuyoshi、Yoshida Koji、Hosokawa Shinya、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 157 ページ: 154504～154504
  • DOI: 10.1063/5.0107387
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ryugu’s nucleosynthetic heritage from the outskirts of the Solar System (2022)
  • 著者名/発表者名: Hopp Timo、Dauphas Nicolas、Abe Yoshinari、（Yurimoto Hisayoshi92名中92番目）
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 ページ: eadd814
  • DOI: 10.1126/sciadv.add8141
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High‐P‐T impedance measurements using a laser-heated diamond anvil cell (2022)
  • 著者名/発表者名: Okuda Yoshiyuki、Oka Kenta、Kubota Yusuke、Inada Mako、Kurita Naoki、Ohta Kenji、Hirose Kei
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 ページ: 105103～105103
  • DOI: 10.1063/5.0097883
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen isotope exchange kinetics between CAI melt and carbon monoxide gas: Implication for CAI formation in the earliest Solar System (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Daiki、Kawasaki Noriyuki、Tachibana Shogo、Kamibayashi Michiru、Yurimoto Hisayoshi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 336 ページ: 104～112
  • DOI: 10.1016/j.gca.2022.09.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sound velocity of hexagonal close-packed iron to the Earth’s inner core pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: Ikuta Daijo、Ohtani Eiji、Fukui Hiroshi、Sakai Takeshi、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q. R.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 7211
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34789-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Contribution of Ryugu-like material to Earth’s volatile inventory by Cu and Zn isotopic analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Paquet Marine、Moynier Frederic、Yokoyama Tetsuya、（Yurimoto Hisayoshi 94名中94番）
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 7 ページ: 182～189
  • DOI: 10.1038/s41550-022-01846-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Oxygen isotopes of anhydrous primary minerals show kinship between asteroid Ryugu and comet 81P/Wild2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki Noriyuki、Nagashima Kazuhide、Sakamoto Naoya、（Yurimoto Hisayoshi 94名中94番）
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 ページ: eade20
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade2067
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Viscosity of Earth’s inner core constrained by Fe-Ni interdiffusion in Fe-Si alloy in an internal-resistive-heated diamond anvil cell (2022)
  • 著者名/発表者名: Park, Y., Yonemitsu, K., Hirose, K., Kuwayama, Y., Azuma, S., Ohta, K.,
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.2138/am-2022-8541
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] The Fe-FeH Phase Diagram and Implications for Hydrogen in the Core (2022)
  • 著者名/発表者名: Kei Hirose
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Measuring the electrical resistivity of liquid iron at the pressures of planetary cores (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohta, K., Suehiro, S., Kawaguchi, S., Okuda, Y., Wakamatsu, T., Hirose, K., Ohishi, Y., Kodama, M., Hirai, S., & Azuma, S.
  • 学会等名: SEDI2022
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrodynamic Interaction Between Quasi-elastic and Acoustic Modes (2022)
  • 著者名/発表者名: Alfred Q.R. Baron
  • 学会等名: 18th International Conference on Liquids and Amorphous Metals (LAM-18)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evidence from CAI anatomy and CAI formation requirements for Solar nebula (2022)
  • 著者名/発表者名: Yurimoto, H.
  • 学会等名: 日本質量分析学会同位体比部会 2022
  • 招待講演
• [図書] 地球の中身 何があるのか、何が起きているのか (2022)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬 敬
  • 総ページ数: 324
  • 出版者: 講談社
  • ISBN: 978-4-06-526660-1
• [図書] 地球を掘りすすむと何があるか (2022)
  • 著者名/発表者名: 廣瀬 敬
  • 総ページ数: 192
  • 出版者: 河出書房新社
  • ISBN: 978-4-309-50437-7