2018 Fiscal Year Annual Research Report
Core-mantle evolution constrained by element partitioning
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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| Project/Area Number |
15H05831
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小木曽 哲 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (60359172)
舘野 繁彦 東京工業大学, 地球生命研究所, 研究員 (30572903)
鎌田 誠司 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (30611793)
三部 賢治 東京大学, 地震研究所, 助教 (10372426)
秋澤 紀克 東京大学, 大気海洋研究所, 助教 (40750013)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 核-マントル / 元素分配 / 同位体分別 / 白金族元素 / 高温高圧実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温高圧実験とその合成試料や天然試料の分析を硫黄同位体分析システムを用いて行った。さらにレーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いて、様々な出発物質を使用した実験を行い、以下の代表的な成果を得た。
(1) 回収試料の硫黄同位体分別測定を行い、高温高圧条件下でのケイ酸塩－金属間の硫黄同位体分別への温度圧力効果の解明を試みた。全ての実験で金属相に重い硫黄34Sが富む結果が得られた。分別に対して、負の温度効果が見られたが、圧力効果は見られなかった。
(2) 還元的な下部マントル環境下（90-120GPa、2000-2500K）における炭酸塩鉱物の安定性を、レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルにより調べた。実験には、MgCO3または(Mg,Fe)CO3を封入した、鉄またはニッケル製の微小金属カプセルを用いた。実験の結果、120 GPaを超える高圧下では、還元的環境下でも炭酸塩が安定化する可能性が示唆された。
(3) ハワイなどの海洋島玄武岩中に見られるオスミウム同位体異常の起源として、内核の成長に伴うRe, Os, Ptの分別が提案されている。これを明らかにするため、液体鉄-固体鉄間の強親鉄性元素の分配実験を60GPaまで行った。実験にはレーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いた。二次イオン質量分析計を用いた上記三元素の定量分析に備え、主成分元素の定量および組織観察をEPMAを用いて行った。
(4)Tahiti産のカンラン岩捕獲岩を用いたin situまたは全岩の白金族元素分析を行った。天然のカンラン岩試料にみられる全岩白金族元素濃度の大きな多様性の原因を探 るため、白金族元素の高温 高圧での挙動に関する実験的研究についてのレビューを進めている。さらに，カンラン岩捕獲岩を用いた全岩Os同位体分析が完了し、解析中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本計画研究の目的は下部マントルや核－マントル境界付近の元素の挙動・リザーバーの存在、核－マントル間の元素分配と軽元素の安定同位体分別係数を明らかにすることである。そのためには微小領域の高精度の分析が不可欠である。この目的を達成するため、導入した最新型の同位体比質量分析計に微小領域試料導入システムを構築した。このシステムを用いて軽元素の安定同位体比の分析が可能になり、下部マントルや核―マントル境界付近の温度圧力条件下の実験生成物質を測定することに成功しており、おおむね計画通りに進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３１年度についても、これまで通り様々な出発物質を使用した高温・高圧下での元素分配・同位体分別実験を行い、核－マントル境界までの温度・圧力条件の変化と同位体分別定数との関係、他元素の二次的効果、液相－固相間または金属メルト－珪酸塩メルト間（液相不混和）の元素分配・同位体分別係数を見積もる。マントルの温度圧力条件は川井型マルチアンビル装置、ピストンシリンダー装置を使用し、より高圧の実験はレーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルを用いて行う。実験生成物の電子顕微鏡観察 、軽元素同位体分析、EPMA分析、集束イオンビーム加工 (FIB)による断面のTEM観察、二次イオン質量分析計 (SIMS)、レーザー照射型誘導結合プラズマ質量分析計 (LA-ICP-MS)による微量元素精密分析を順次組み合わせて行うことで、上記の目的を達成する。また、天然のマントルカンラン岩の微細構造観察や微小領域の化学組成分析などを行い、地球内部での揮発性物質の挙動を実際の地球深部の岩石から読み取ることを試みる。これら高温高圧実験の結果と天然の試料の分析結果を総合的に解析し、核－マントルの共進化と相互作用を読み解く。さらにこれら実験・観測で得られた成果は理論計算班(A04-1)と共同で第一原理電子状態計算法を用いた元素・同位体シミュレーションを行う。これにより新たな地球深部化学進化モデルを構築する。
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Research Products
(68 results)
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[Journal Article] Sound velocity of Fe3C at high pressure and high temperature determined by inelastic X-ray scattering2019
Author(s)
Suguru Takahashi, Eiji Ohtani, Tatsuya Sakamaki, Seiji Kamada, Hiroshi Fukui, Satoshi Tsutsui, Hiroshi Uchiyama, Daisuke Ishikawa, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi, Alfred Q.R. Baron
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Journal Title
Comptes Rendus Geoscience
Volume: 351(2-3)
Pages: 190-196
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Sulfur and carbon isotope fractionation under mantle conditions2019
Author(s)
Maeda, F., Horioka, Y., Kamada, S., Aoyama, S., Ozawa, S., Satish-Kumar, M., Suzuki, A.
Organizer
Origin, Evolution & Dynamics of the Earth & Planetary Interiors
Int'l Joint Research
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[Presentation] Electronic and compressional properties of Fe-Si alloys at high pressure2019
Author(s)
Kamada, S., Suzuki, N., Maeda, F., Hirao, N., Masuda, R., Mitsui, T.
Organizer
Workshop on properties of planetary interiors
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] The chemical and isotopic changes of the hot springs and fumaroles in the Jigokudani Valley, Tateyama Volcano, Japan2019
Author(s)
Seki K., Ohba T., Aoyama S., Ueno Y., Sumino H., Kanda W., Shinohara H., Yaguchi M., Tanbo T.
Organizer
CVL10 WORKSHOP
Int'l Joint Research
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[Presentation] Reaction of MgCO3 high-pressure carbonate and metallic iron in the deep lower mantle2018
Author(s)
Maeda, F., Kamada, S., Miyajima, N., Petitgirard, S., Hirao, N., Sakamaki, T., McCammon, C., Frost, D.J., Ohishi, Y., Suzuki, A.
Organizer
56th EHPRG
Int'l Joint Research
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[Presentation] Deep Carbon: Diamond formation and carbon speciation in Earth and planetary processes2018
Author(s)
Zedgenizov, D., Kagi, H., Ohtani, E., Tsujimori, I., Komatsu, K., Kamada, S.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2018
Int'l Joint Research
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[Presentation] Compressional velocity of hcp Fe-Si alloy by inelastic X-ray scattering and composition of the inner core2018
Author(s)
Ohtani, E., Sakairi, T., Sakamaki, T., Fukui, H., Kamada, S., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron, A.Q.R.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2018
Int'l Joint Research
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[Presentation] Chemical reactions between Fe and H2O up to megabar pressures and implications for water storage in the Earth’s mantle and core2018
Author(s)
Yuan, L., Ohtani, E., Ikuta, D., Kamada, S., Tsuchiya, J., Hirao, N., Ohishi, Y., Suzuki, A.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2018
Int'l Joint Research
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