2018 Fiscal Year Research-status Report
高温高圧実験による地球形成初期過程における軽元素の探究
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18K13630
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
飯塚 理子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (80632413)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高圧地球科学 / 水素 / 水 / 高温高圧 / 中性子回折 / その場観察 / 地球進化 / 放射光X線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉄を主成分とする地球コアには、複数の軽元素が存在すると考えられている。近年、有力候補である水素を直接観察できるプローブ「中性子」と大型６軸プレスを組み合わせ、地球の始源物質に見立てた試料に対して中性子回折測定を行い、高温高圧下の固体鉄にも水素が有意に取り込まれることが明らかにされた。原始地球の進化過程のさらなる解明に向けて、今後は純鉄ではなく、鉄水素化物とケイ酸塩間における複数の軽元素の分配を同時に調べることが重要となる。そこで本研究では、水素と硫黄を含む鉄－含水ケイ酸塩の多成分系に着目し、放射光X線とパルス中性子線のマルチ量子ビームを用いた高温高圧下その場観察から、反応生成物や反応プロセス、鉄の水素化に対する硫黄の影響を探索することにより、地球形成初期の反応過程と地球コアに溶け込んだ軽元素分配を実験的に明らかにすることを目的とした。
H30年度は、高解像度X線イメージング用カメラシステムを開発し、PFAR NE7Aでの高温高圧下放射光X線その場観察により、鉄がシリケイトから分離する様子を捉えることに成功した。また、中性子実験施設J-PARCのPLANET(BL11)ビームラインにて中性子回折その場観察実験を行い、7 GPa,1000Kまでの温度圧力条件で鉄化合物（鉄水素化物および硫化鉄）の水素量を見積もった。結果として、水と硫黄の共存下でも、固体鉄の水素化と共に、硫黄が鉄と反応してFeSの生成がほぼ同時に起こることが分かった。このことから、水は地球の進化において必須要素であり、微惑星が衝突して原始物質が集積していく地球形成のごく初期の段階で水素と硫黄の両方が鉄と優先的に反応していたことが示唆される。
今年度に購入した実体顕微鏡を用いて、セル準備等の実験作業が非常に効率よく進めることができた。
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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
当初の目的の達成率は70%程度と自己判断する。その理由は、2018年8月から2019年2月までの約5ヶ月間の産休育休（＋復帰後の時短勤務）中に実験を十分に進めることが出来なかった（KEKでの放射光X線実験の、PF-ARユーザー向けビームタイムも減ってしまった）こと、年２回のJ-PARCのビームタイムの日程を、研究に復帰後なるべく遅い時期にスケジュールを組んでもらったことなどによる。現在、３月末に行った実験データの解析を行っている。現在はより高い圧力領域での中性子実験を実現するための新しいセルアセンブリの予備的実験がほぼ完了した段階であり、PLANETの次のビームタイムでは条件（温度圧力、初期試料の組成）を変えて回折データを取得していく。本研究の成果は、2019年度に予定されている国内外の学会で発表予定であり、論文も執筆中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
放射光X線イメージング用のカメラシステムは継続してアップデート中であり、今年度はz軸の自動ステージと、静止画と動画を取得できるソフトウェアプログラムを導入する予定である。これにより、シリケイト中で鉄滴が凝集して球となり沈降していく様子を非常にスムーズに観察でき、細やかな撮影ができることが期待される。さらにX線回折パターンの変化をリアルタイムで観察し、出発物質の混合比や温度圧力条件を変えて実験回数を重ねることにより、生成物や反応プロセスの相違について突きとめていく。続いてJ-PARCでの中性子回折測定で、生成した鉄水素化物の水素量と結晶構造中の水素原子位置の決定を試みる。この際、試料体積が小さくクオリティの高いデータを取得するためにはある程度の長時間測定が必要になるため、なるべく鉄化合物のみの単相のデータを得られるようセル構成に工夫を施していく。軽元素としてまずは水素のみの実験を行い、その次のステップとして複数の鉄化合物を生成する水素ー硫黄の多軽元素の系での実験を進めていく予定である。
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| Causes of Carryover |
2018年8月から2019年2月までの約5ヶ月間の産休育休（＋復帰後の時短勤務）の間に実験を進めることが出来なかったため、翌年度に繰り越した。高温高圧実験で用いるアンビルやセルなどの消耗品として使用する予定である。
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