2017 Fiscal Year Annual Research Report
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16H06285
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
廣瀬 敬 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50270921)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大石 泰生 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主席研究員 (20344400)
K Joseph 東京工業大学, 地球生命研究所, 特任教授 (80721258)
小澤 一仁 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90160853)
Alfred Baron 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学総合研究センター, 主任研究員 (90442920)
舘野 繁彦 東京工業大学, 地球生命研究所, 研究員 (30572903)
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| Project Period (FY) |
2016-04-26 – 2021-03-31
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| Keywords | 初期地球 / 高圧 / 元素分配 / マグマオーシャン / コア形成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度はまず、昨年度大きな成果があがったコアからSiO2の結晶化につき、さらなる考察を加えた。固体SiO2はマントル最下部の物質に比べて軽いため、コア－マントル境界にできたSiO2層はある厚みに達すると重力不安定を起こしてマントル中を上昇し始めること、また地球の比較的初期に形成されたSiO2層は厚みがあるため、対流するマントル中であっても密度中立する深さ約1600km付近にとどまること、それらが現在地震波散乱体として観測されることをあきらかにした。また、地球コアの組成をあきらかにする目的で、鉄－炭素２成分系、鉄－シリコン－硫黄３成分系の結晶化実験を行って、液体コア（外核）よりも密度の大きな固体コア（内核）が結晶化する組成範囲を特定し、コア中の炭素・シリコン・硫黄の最大量を見積もった結果、この３元素はどれも支配的な軽元素ではないことがあきらかになった。同時に、水素を含む超高圧高温実験の技術開発に成功し、鉄－水素２成分系の融解実験を行って、高圧下での共融点組成を決定した。これにより、コア中の水素量の最大値を推定することができた。さらに、第一原理計算によって、外核の密度と音速の観測に整合的な液体鉄合金の組成を鉄－シリコン－酸素－硫黄－炭素－水素の６成分系で探ったところ、酸素もしくは水素に富む組成がふさわしいことがあきらかになった。またMgO-SiO2系の融解実験をマントル最下部まで行って、２つの共融点組成をあきらかにし、岩石惑星それぞれのMg/Si比の違いによって、マグマオーシャンの固化にともない、別種の化学的成層構造ができることをあきらかにした。また、下部マントルの主要鉱物MgSiO3ブリッジマナイトに関する総説を著した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度は現在のコア組成の制約が大きく進んだため、また昨年度提唱したコアからのSiO2その他の結晶化によって、さらに複数の別の観測事実も説明できることがわかり、その地球科学的重要性がさらにあきらかになったため。
液体コア（外核）は鉄・ニッケル合金よりも約１割も密度が小さいことは古くから知られているが、その化学組成はいまだに特定されておら水素に富んでいること、さらにはその他の軽元素の上限値もあきらかにすることができた。また、昨年度大きな成果があがったコアからSiO2の結晶化につき、初期地球のコアには含まれていた可能性があるマグネシウムを含めたFe-Si-O-Mg系へと拡大した。それにより、コア－マントル境界で現在観測される地震学的異常の１つがコアから析出したシリケイトで説明できることがあきらかになり、コアからの酸化物やシリケイトの析出によって、いくつもの地球物理学的・地球化学的観測を説明できることがわかった。また、下部マントルの主要鉱物MgSiO3ブリッジマナイトに関する総説を著した（Hirose et al., 2017 Science)。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度もすべての研究目的につき順調に実験が進んでいる。次年度はSPring-8のビームラインBL10XUにおける、高圧下でのXAFS測定を本格的に開始する。
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[Journal Article] Sound velocity of liquid Fe-Ni-S at high pressure,2017
Author(s)
Kawaguchi, S., Nakajima, Y., Hirose, K., Komabayashi, T., Ozawa, H., Tateno, S., Kuwayama, Y., Tsutsui, S., Baron, A. Q. R.
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Journal Title
Journal of Geophysical Research, Solid Earth
Volume: 122
Pages: 3624-3634
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Reconciling magma-ocean crystallization models with the present-day structure of the Earth’s mantle2017
Author(s)
Ballmer, M.D., Lourenco, D.L., Hirose, K., Caracas, R., Nomura, R.
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Journal Title
Geochemistry, Geophysics, Geosystems
Volume: 18
Pages: 2785～2806
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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