2021 Fiscal Year Annual Research Report
Ressearch on hydrogen in the deep earth by neutron crystallography and mass spectroscopy
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21H04519
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
奥地 拓生 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (40303599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 健二 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (30420491)
富岡 尚敬 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (30335418)
伊藤 正一 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023)
小野寺 陽平 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (20531031)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 中性子結晶学 / 局所質量分析 / 透過電子顕微鏡 / 含水鉱物 / 水素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球の水素は海洋水に加えて、地球内部の鉱物の結晶構造を置換する水素イオンとして存在する。実際には海洋水を超える量の水素イオンが地球内部に不均質に分布すると考えられており、それがホスト鉱物の流動特性、潤滑特性、融解温度への強い影響を通して、地震火山現象やマントルの大規模な流動現象を局所的に誘発している。存在総量や分布などにおいてはまだまだ不明な部分が多い、この地球内部水素の振る舞いを、中性子結晶学と局所質量分析の手法によって原子のスケールで理解することが本研究課題の目的である。
ここまでの研究実績としては、下部マントルの最重要鉱物であるアルミニウムと鉄を含むブリッジマナイトが、置換イオンとして含む水素の中性子結晶学解析を大きく進展させることができた。得られた結果からは、H2O換算で0.1重量%に達する量の水素イオンが、ブリッジマナイトの直方晶単位格子のb軸方向にほぼ並行な方向に共有結合と水素結合をつくり、２つの酸素と結合する方式で結晶構造に入り込むことが示された。その際には水素とアルミニウムが共同でケイ素を置換する反応が起きていた。つまり従来の見解とは異なり、水素イオンの置換によって酸素等の格子欠陥が新たに作り出されることはないので、そのような欠陥に起因する物性の変化はほとんど起こらないと考えられる。全下部マントルのブリッジマナイトが取り込むことができる水素イオンの量が、それだけで海洋水を超えることが、この解析によって明確に示された。
以上に加えて、超高圧力条件での合成に用いる大型プレスの主要構成部を新規に導入して試験的に稼働させ、合成に必要な荷重を発生できることを順調な動作によって確認した。
次年度以降においては、ブリッジマナイトの課題がほぼ解決したことを踏まえた上で、主にマントル遷移層までの圧力範囲に存在する物質に対する、中性子結晶学解析と局所質量分析の作業を進めていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウィルス感染症の流行及び、それに伴う資材の入手難により、超高圧力条件での合成に用いる大型プレスの主要構成部を製作して、それを京都大学に新規に導入して稼働させるまでの作業が遅延した。一方で中性子単結晶回折のデータを先に得ているブリッジマナイトの結晶構造解析に際しては、上記のように必要なレベルの進展が既に得られている。以上の状況により、全体としての進捗状況はやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
水素イオンを含む鉱物結晶の試料を、大型プレス以外の装置も用いることで比較的低圧の条件においても並行して合成し、それを解析することで、研究課題の進捗がやや遅れている現在の状況を取り戻していくことができると考えられる。具体的には非晶質の含水ガラスの合成と中性子結晶学による構造解析を、当初の年次進行の計画より前倒しの形で行う。この目的のためには均質なガラス試料を大量に合成する必要があるので、そのための装置の導入と整備を進める。
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Research Products
(14 results)
