| 研究課題/領域番号 |
24000005
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
廣瀬 敬 東京工業大学, 地球生命研究所, 教授 (50270921)
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| 研究分担者 |
大石 泰生 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用促進部門, 研究員 (20344400)
BARON Alfred 独立行政法人理化学研究所, 放射線光科学研究センター, 准主任研究員 (90442920)
駒林 鉄也 東京工業大学, 大学院理工学研究科, 助教 (20444119)
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| 研究期間 (年度) |
2012-05-29 – 2017-03-31
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| キーワード | 地球深部 / コア / 下部マントル / 高圧 / 放射光 |
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| 研究概要 |
今年度は、液体鉄-硫黄合金(Fe, Ni)-25atm%SのX線非弾性散乱スペクトルを約40万気圧下まで取得し、縦波速度を決定することに成功した。加えて、液体鉄-炭素合金Fe-16atm%Cの測定も8万気圧まで進んだ。
液体窒素型モノクロメータの導入により、試料上におけるX線ビームがすでに1ミクロン以下に集光され、また強度が約20倍増加した。これによって温度精度の高い実験、さらにはサブ秒での高速X線回折測定が可能となった。
Fe-16atm%Siについて内核に相当する超高圧・超高温実験を行い、hcp相が内核中で安定であることを確かめた。後者については407万気圧・5960KにおけるX線回折データの取得に成功し、静的高圧高温実験の世界記録を塗り替えることに成功した。続いて鉄-硫黄合金ついては、Fe3S相が250万気圧以上で分解すること、ゆえに内核には存在し得ないことを明らかにした。
収束イオンビーム装置を用いて、Fe-FeSi系の融解相関係を130万気圧まで決定した。またFe-FeO系についても80万気圧までの融解実験を行い、共融点組成が高圧下では酸素に富んでいくことがわかった。
高温下における鉄の電気抵抗の飽和現象を実際に確かめることができた。またMgOの高圧/室温の熱拡散率を下部マントルの圧力全域にわたって測定に成功した。
放射光X線を用いた高解像度のトモグラフィ画像を基に、微量な融解液の確認に成功した。その結果CMB圧力におけるマントルのソリダス温度が従来の見積りより500Kも低いという結果を得た。このことから、コア最上部の温度は3600K以下と比較的低温であること、低温にも関わらず外核が液体であるためには大量の水素が含まれている必要があることがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
Nomura, Hirose et al. (2014 Science)により、本研究の主目的であるコアの化学組成と温度の決定に関して、きわめて重要な成果を挙げることができた。われわれはまず、コアの温度分布(外核最上部で3600K以下、外核/内核境界で4900K以下)を強く制約することに成功した。従来、コア最上部の温度の見積りには大きな幅(4000±1000K)があったが、マントル最下部の溶融温度に基づき、コアの温度が比較的低い(3600K以下)ことをあきらかにした。同時に、低温の外核が液体であるためにはその融解温度が低い必要がある。融解温度はコア中の不純物(軽元素)の種類によって大きく変化することがよく知られている(Hirose et al., 2013 Annual Review)。このことから、Nomra et al. (2014)では、宇宙化学的考察も考慮に入れて、コアには6wt%(9atm%)のシリコンと0.6wt%(24atm%)の水素が含まれているとした。コアの軽元素の特定は、過去60年以上にわたって謎とされてきた地球科学の第一級の課題である。マントルの融解温度とコアの低い温度を切り口に、あたらしい提案をしたことは極めて大きな成果と言える。
また鉄-シリコン合金の相転移に関する研究で、407万気圧・5960KにおけるX線回折データの取得に成功し、静的高圧高温実験の世界記録を塗り替えることに成功した。すでに現在の地球中心の高圧高温条件を超えているが、地球誕生時にはより高温だった可能性があり、また将来的には太陽系外惑星スーパーアースの内部構造の研究にとっても重要な技術進歩である。昨年度外部抵抗(ヒーター)加熱式のダイヤモンドセル(DAC)装置にて1500K以上の温度発生に成功したのに続き、高圧実験の技術発展に大きく寄与することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
Nomura, Hirose et al. (2014 Science)により、コアの温度ならびに化学組成に関する有力な説を提案することができた。今後は、本研究で行われるさまざまな物性測定結果と地震学的観測との整合性、さらにはコア形成モデルとの調和性から、この説を検証していく必要がある。以下にNomura et al. (2014)が提唱する鉄-水素-シリコン合金に関連した実験計画を記す。ただし、他の鉄合金の測定も比較という意味で依然として重要である。
X線非弾性散乱に関して、外部抵抗加熱式のDACによる、より高温の発生に挑戦するとともに、今後はレーザー加熱式DACを用いた高温実験を多く行う必要がある。これにより、液体鉄-水素合金、鉄-シリコン合金の測定を行っていく。同時に速度・密度の理論予測を行う。
鉄-水素合金ならびに鉄-水素-シリコン合金の状態図(結晶構造、固体-液体間の分配、融解温度)の作成も極めて重要である。鉄-水素合金のレーザー加熱式DAC実験は過去に行われたことはないが、昨秋加わった太田専任講師は白金-水素系に関する同実験に豊富な経験があり、技術的な困難は見当たらない。これら鉄合金の融解曲線の決定も、コアの温度をさらに制約するのに不可欠な実験である。
鉄-水素合金ならびに鉄-水素-シリコン合金の熱伝導率決定も早急に行う必要がある。鉄中の水素の存在がその電気抵抗率にどう影響するのか、現時点では全くわかっていない。これはコアの熱進化モデルを大きく左右する可能性がある。
水素が如何にコアに取り込まれたのかをも理解しなくてはならない。マグマオーシャン中でのシリケイトメルトと溶融鉄の間の水素の分配は過去にOkuchi (1997)が7万気圧下で調べられたに過ぎない。地球の水の起源を解明する上で、コアに水素が入る際にどう重水素/水素の分別が起こるのかをあきらかにすることもきわめて重要である。
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