地球内核の組成と異方性の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 核－マントルの相互作用と共進化～統合的地球深部科学の創成～
• 研究課題/領域番号: 16H01112
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 坂巻 竜也 東北大学, 理学研究科, 助教 (30630769)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 地球核 / 高圧 / 高温 / 音速 / 密度

研究実績の概要

X線非弾性散乱測定を大型放射光施設SPring-8にあるビームラインBL35XUとBL43LXUで実施した。高圧発生にはダイアモンドアンビルセルを用い、高温実験の場合はレーザー加熱システムを利用した。本年度は特に鉄(hcp-Fe)、酸化鉄(FeO)、鉄-ニッケル-珪素合金(Fe-Ni-Si)を対象とした研究に重点を置いた。
鉄(hcp-Fe)：先端径40ミクロンのダイアモンドアンビルを利用することでX線非弾性散乱では世界最高圧力である250万気圧の条件下で音速測定に成功した。バーチ則がこの条件まで保たれていることを確認すると共により高精度な鉄の音速-密度関係を示すことができた。
酸化鉄(FeO)：FeOの音速は、鉄合金より速く、珪酸塩鉱物より遅いという中間的な特徴を示すことを明らかにした。つまり、内核中にFeOが含まれていると地震学的観測データと合わないため、FeOが内核中に存在していないことが分かり、核形成時の全酸素量の上限に制約を与えることができた。さらに地球の下部マントルを構成している珪酸塩鉱物よりも音速が遅いことから、最下部マントルに観測される地震波低速度異常がFeOの存在によってもたらされている可能性を示唆した。
鉄-ニッケル-珪素合金(Fe-Ni-Si)：地球核中に含まれてると考えられているニッケルや珪素が鉄に及ぼす効果を測定によって定量的に理解することに成功し、内核組成に制約を与えることが可能となった。固液間の元素分配を考慮することで、外核・全核組成の見積もりもでき、初期地球における核形成の環境の推定に繋がる極めて重要な研究成果である。

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

当初の目的通り200万気圧を超える世界最高圧力条件下でX線被弾散乱による鉄の音速測定に成功しているため。

今後の研究の推進方策

前年と同様に大型放射光施設SPring-8のBL35XUとBL43LXUにおいて鉄・鉄合金の音速・密度同時測定を遂行する。地球内核条件を再現した300万気圧を超える条件下での測定を目指す。得られた鉄の音速-密度データと地震学的モデルを比較することで、観測されている内核の密度-音速を満たす鉄＋軽元素の組み合わせを見つけ出し、地球内核組成に対する制約を与える。さらに鉄試料の選択配向と速度異方性の関連性を明らかにし、現在観測されている内核の異方性を解釈するための新たなモデルを提案する。
上記で得られた研究成果は国内外の学会で発表し、さらに専門誌へ論文投稿する。

研究成果

• [雑誌論文] Diamond formation in the deep lower mantle: a high-pressure reaction of MgCO3 and SiO2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Maeda, F., Ohtani, E., Kamada, S., Sakamaki, T., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7:40602 ページ: 1-7
  • DOI: DOI:10.1038/srep40602
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Melting relations in the Fe-S-Si system at high pressure and temperature: Implications for the planetary core (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakairi, T., Ohtani, E., Kamada, S., Sakai, T., Sakamaki, T., Hirao, N.
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 4:10 ページ: 1-11
  • DOI: DOI 10.1186/s40645-017-0125-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 高圧下でのマグマ物性：地球深部でのマグマの挙動解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂巻竜也
  • 雑誌名: 岩石鉱物科学 巻: 46巻 ページ: 30-34
  • DOI: doi: 10.2165/gkk.160803
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preface for the article collection “High-Pressure Earth and Planetary Science in the last and next decade” (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakamaki, T., Suzuki, A., Mysen, B.
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 3:38 ページ: 1-3
  • DOI: DOI 10.1186/s40645-016-0114-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic and spin transitions in wüstite: A synchrotron Mössbauer spectroscopic study (2016)
  • 著者名/発表者名: Hamada, M., Kamada, S., Ohtani, E., Mitsui, T., Masuda, R., Sakamaki, T., Suzuki, N., Maeda, F., Akasaka, M.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 155165 ページ: 1-6
  • DOI: DOI: 10.1103/PhysRevB.93.155165
  • 査読あり
• [雑誌論文] Compressional and shear wave velocities for polycrystalline bcc-Fe up to 6.3 GPa and 800 K (2016)
  • 著者名/発表者名: Shibazaki, Y., Nishida, K., Higo, Y., Igarashi, M. Tahara, M., Sakamaki, T., Terasaki, H., Shimoyama, Y., Kuwabara, S., Takubo, Y., Ohtani, E.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 101 ページ: 1150-1160
  • DOI: DOI: http://dx.doi.org/10.2138/am-2016-5545
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of sound velocity of iron-alloy using inelastic X-ray scattering experiment under ultra-high pressure and temperature conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakamaki, T., Fukui, H., Tanaka, R., Ohtani, E., Baron, A.Q.R.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016A1180 ページ: 1-1
• [雑誌論文] Sound velocity of Fe3S, FeO, and FeH at high pressure and temperatures, and implications for sound velocity anomalies at the inner core boundary (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Sakamaki, T.,, Fukui, H., Kamada, S., Tanaka, R.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016A1171 ページ: 1-1
• [雑誌論文] Study of physical properties of the core and lower mantle materials using synchrotron Mössbauer and X-ray diffraction method (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Kamada, S., Sakamaki, T.,, Fumiya, M., Sakairi, T., Ohira, I., Kuga, S.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016A0104 ページ: 1-1
• [雑誌論文] Simultaneous sound velocity and density measurements of iron-silicon alloys under core conditions of Mercury and Mars (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakamaki, T., Terasaki, H., Shibazaki, Y., Suzuki, A., Tobe, H., Higo, Y., Kurokawa, F., Maki, M., Shimoyama, Y., Saito, R.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016B1111 ページ: 1-1
• [雑誌論文] Simultaneous sound velocity and density measurements of iron-alloys for understanding the composition of Earth’s inner core (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakamaki, T., Fukui, H., Tanaka, R., Kamada, S., Ikuta, D., Ohtani, E., Baron, A.Q.R.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016B1112 ページ: 1-1
• [雑誌論文] Four-dimensional tomography and in-situ X ray diffraction of flowing magmas (2016)
  • 著者名/発表者名: Okumura, S., Sakamaki, T., Uesugi, K.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016B1253 ページ: 1-1
• [雑誌論文] Sound velocity of iron-light element compounds at high pressure and temperature, and detection of the sound velocity anomalies near the transition boundary (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Sakamaki, T.,, Fukui, H., Kamada, S., Tanaka, R., Terasaki, H., Baron, A.Q.R.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016B1419 ページ: 1-1
• [雑誌論文] Sound velocity and density measurements of liquid Fe-Ni-Si up to 15 GPa (2016)
  • 著者名/発表者名: Terasaki, H., Maki, M., Shimoyama, Y., Kurokawa, F., Saito, R., Sakamaki, T., Shibazaki, Y., Tobe, H., Higo, Y., Tange, Y.
  • 雑誌名: SPring-8 Experimental Summary Report 巻: 2016B1518 ページ: 1-1
• [学会発表] マルチメガバールでの鉄の音速測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂巻竜也，福井宏之，大谷栄治，田中遼介，アルフレッド・バロン
  • 学会等名: 新学術領域研究「核‐マントル共進化」平成28年度成果発表会
  • 発表場所: 横浜
  • 年月日: 2017-03-26 – 2017-03-28
• [学会発表] Sound velocity of iron-light element compounds and the chemical structure of the inner core (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohtani, E., Sakamaki, T., Fukui, H., Tanaka, R., Shibazaki, Y., Kamada, S., Sakairi, T., Takahashi, S., Tsutsui, S., Baron, A.Q.R.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2016
  • 発表場所: San Francisco USA
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • 国際学会
• [学会発表] Sound velocity and density of FeO at high pressure and temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, R., Sakamaki, T., Fukui, H., Ohtani, E., Kamada, S., Sato, S., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron, A.Q.R., Suzuki, A.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2016
  • 発表場所: San Francisco USA
  • 年月日: 2016-12-12 – 2016-12-16
  • 国際学会
• [学会発表] 高圧下におけるFeOの音速測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中遼介，坂巻竜也，福井宏之，大谷栄治，鎌田誠司，筒井智嗣，内山裕士，アルフレッド・バロン, 鈴木昭夫
  • 学会等名: 第57回高圧討論会
  • 発表場所: つくば
  • 年月日: 2016-10-26 – 2016-10-29
• [学会発表] 地球惑星深部環境におけるマグマの物性と構造に関する研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂巻竜也
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2016年年会
  • 発表場所: 金沢
  • 年月日: 2016-09-23 – 2016-09-25
  • 招待講演
• [学会発表] 高温高圧下での鉄-ニッケル合金の音速・密度測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂巻竜也、福井宏之、大谷栄治、鎌田誠司、筒井智嗣、アルフレッド・バロン
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2016年年会
  • 発表場所: 金沢
  • 年月日: 2016-09-23 – 2016-09-25
• [学会発表] Pressure-induced change of iron in complicated silicate glasses (2016)
  • 著者名/発表者名: Maeda, F., Kamada, S., Ohtani, E., Sakamaki, T., Hirao, N., Mitsui, T., Masuda, R., Nakano, S.
  • 学会等名: The 54th European High Pressure Research Group (EHPRG) International Meeting on High Pressure Science and Technology
  • 発表場所: Bayreuth GERMANY
  • 年月日: 2016-09-04 – 2016-09-09
  • 国際学会
• [学会発表] X線非弾性散乱を用いた地球核条件下での鉄・鉄合金の音速測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂巻竜也
  • 学会等名: 地球惑星科学研究会・高圧物質科学研究会合同研究会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2016-08-28
  • 招待講演
• [学会発表] Synchrotron 57Fe Mössbauer study of basaltic glass up to the lowermost mantle pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: Maeda, F., Kamada, S., Ohtani, E., Sakamaki, T., Hirao, N., Mitsui, T., Masuda, R.
  • 学会等名: Intenational Workshop: New Challenges in Volatile Cycling in the Deep Earth
  • 発表場所: Sendai JAPAN
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-06
  • 国際学会
• [学会発表] The compressibility of partial molar volume of H2O in magma (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Sakamaki
  • 学会等名: Goldschmidt 2016
  • 発表場所: Yokohama JAPAN
  • 年月日: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Reaction of MgCO3 high-pressure phase and SiO2; Origin of super-deep diamond (2016)
  • 著者名/発表者名: F. Maeda, S. Kamada, E. Ohtani, T. Sakamaki, N. Hirao, Y. Ohishi
  • 学会等名: Goldschmidt 2016
  • 発表場所: Yokohama JAPAN
  • 年月日: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • 国際学会
• [学会発表] Melting relation in the Fe-S-Si system at 10 GPa: Implications for Mercury’s core (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Tobe, A. Suzuki, Y. Shibazaki, T. Sakamaki, E. Ohtani
  • 学会等名: Goldschmidt 2016
  • 発表場所: Yokohama JAPAN
  • 年月日: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • 国際学会
• [学会発表] Sound velocity of Fe3C and carbon in the core (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, S., Ohtani, E., Sakamaki, T., Kamada, S., Fukui, H., Baron, A.Q.R.
  • 学会等名: Goldshmidt2016
  • 発表場所: Yokohama JAPAN
  • 年月日: 2016-06-26 – 2016-07-01
  • 国際学会
• [学会発表] Sound velocity Fe3S at high pressure and high temperature based on inelastic X-ray scattering (2016)
  • 著者名/発表者名: Kamada, S., Sakairi, T., Sakamaki, T., Ohtani, E., Terasaki, H., Fukui, H., Baron, A.Q.R., Suzuki, A., Uchiyama, H., Tsutsui, S.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • 発表場所: Chiba JAPAN
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-26
  • 国際学会