2012 Fiscal Year Annual Research Report
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24000005
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
廣瀬 敬 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 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, その他部局等, 研究員 (20344400)
駒林 鉄也 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (20444119)
Alfred Baron 独立行政法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 准主任研究員 (90442920)
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| Project Period (FY) |
2012-05-29 – 2017-03-31
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| Keywords | 地球深部 / コア / 下部マントル / 高圧 / 放射光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いた高圧高温実験により、コアとマントル深部物質の物性をあきらかにしつつある。SPring-8のビームラインBL35XUにて、外部抵抗加熱式DACを用いた液体鉄合金(Fe,Ni)-25atm%SのＸ線非弾性散乱測定を行い、15万気圧まで縦波速度決定に成功した。同じくビームラインBL10XUにＸ線集光光学系を設計・導入し、Ｘ線ビームを試料上で数ミクロンにまで集光することに成功した。Fe-10atm%Niの結晶構造を内核の圧力温度に相当する340万気圧・4700 Kまで調べ、六方最密充填hcp構造が安定であることを報告した。Fe-FeS系のサブソリダスの相関係を調べた結果、Fe3S相が250万気圧以上で分解することがわかった。純鉄の電気抵抗率を100万気圧まで、Fe-Si合金については70万気圧まで決定することに成功した。また抵抗率の飽和を考慮したモデルを初めてたて、Wiedemann-Franz の法則に基づいて電気抵抗率から熱伝導率を求めたところ、コア最上部では90W/m/K以上と、従来の３倍以上高い値が得られた。このことはコアの冷却速度が速いこと、内核が10億年より新しい時代に誕生したこと、コア－マントル境界の熱流量が10TW以上であることなどを意味する。また、溶融金属鉄－シリケイト間の親石元素の分配実験を138万気圧・5500 Kまで行い、コアにカリウムはほとんど入らないことを明らかにした。
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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
本研究の主目的の１つである地球中心核（コア）の熱進化に関して、大きな成果を挙げることができた。まず静的圧縮実験による純鉄の電気抵抗率の測定に世界で初めて100万気圧まで成功した（過去の同種の実験は22万気圧まで）。おそらく非磁性体になるがゆえに40万気圧程度まで抵抗が大きく減少することがあきらかになるなど、本測定の意義は大きい。そして最も重要な点は、金属学ではよく知られた「抵抗率の飽和」を考慮したコアの電気抵抗率の見積りを初めて行ったことにある。すなわち、Bloch-Gruneisen則に従えば温度とともに線形に抵抗率が上昇するところ、抵抗率が飽和するため、コアの超高温下においても比較的低いままになる。こうして求めた電気抵抗率からWiedemann-Franz の法則に基づいて熱伝導率を計算すると、従来の見積もりの３倍近い大きな値になった。コアは初期地球以来対流しているため、コアの熱伝導率は熱対流に必要な、コアが失う熱量の下限値を与える。すなわち、高い熱伝導率はコアの冷却がとても速いこと、すなわち内核が若いことなどがあきらかになった。
また、重要な課題の１つであるＸ線非弾性散乱測定についても初年度から重要な結果を得ることができた。鉄合金を融解させるため、当初はレーザーとヒーターの併用加熱を予定していた。ところが真空チャンバを導入したことによって断熱性が圧倒的に向上し、後者のみで鉄合金を溶融させることができた。外部抵抗加熱式の超高圧発生用DACではこれまで1000 K程度が限界とされており、1500 Kまでの実験は世界でこれが初めてである。レーザー加熱との併用が不要になったために、試料中の温度分布が±5 K以内という精密な測定が可能になった。今年度は15万気圧までの測定に成功しており、これは静的圧縮実験による過去の測定の最高圧力5万気圧をすでに大幅に上回ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
鉄合金の縦波速度測定については、すでに15万気圧まで成功している (Fe,Ni)-25atm%Sにつき、さらに高圧での測定を試みる。また鉄-炭素化合物Fe-25atm%Cの測定を開始するにあたり、より高温が必要なため、レーザー加熱を試みる。また、高分解能アナライザ結晶については、試作品が要求仕様を満たさなかったため、研究費を繰り越すことにした。来年度は試作品のテストと改良を繰り返し行い、液体金属の速度の高精度の決定に向けた準備を進める。
SPring-8のビームラインBL10XUのX線のナノビーム化するため、今年度集光光学系をあらたにしたことに加え、来年度は液体窒素冷却型Ｘ線モノクロメータを導入する。これにより、入射Ｘ線のナノビーム化を行い、当ビームラインにて行うレーザー加熱実験すべての実験精度を飛躍的に向上させる。
内核条件下における鉄合金の結晶構造決定に関しては、Fe-16atm%Siの状態図につき地球中心の超高圧・超高温まであきらかにする。収束イオンビーム装置を導入することにより、融解させた鉄合金試料の組織観察と化学組成分析を開始する。来年度はFe-FeS系さらにはFe-FeSi系の融解実験を行う。
コアの電気抵抗率に関し、抵抗率の飽和現象を超高圧高温下で実際に確認する必要がある。これはコアの熱伝導率の見積もり、さらにはコアの熱史モデリングにおいて決定的に重要である。
溶融金属鉄－シリケイト間の親石元素の分配実験については、来年度はICP-MS装置を用いて、ウラン・トリウム・鉛を含む微量元素分配をあきらかにする。
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[Journal Article] Lattice thermal conductivity of MgSiO3 perovskite and post-perovskite at the core-mantle boundary2012
Author(s)
Ohta, K., Yagi, T., Taketoshi, N., Hirose, K., Komabayashi, T., Baba, T., Ohishi, Y., Hernlund, J.
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Journal Title
Earth and Planetary Science Letters
Volume: 349/350
Pages: 109-115
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Sound velocity measurements of CaSiO3 perovskite to 133 GPa and implications for lowermost mantle seismic anomalies2012
Author(s)
Kudo, Y., Hirose, K., Murakami, M., Asahara, Y., Ozawa, H., Ohishi, Y., Hirao, N.
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Journal Title
Earth and Planetary Science Letters
Volume: 349/350
Pages: 1-7
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Experimental evidence for superionic conduction in H2O ice2012
Author(s)
Sugimura, E., Komabayashi, T., Ohta, K., Hirose, K., Ohishi, Y., Dubrovinsky, L.
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Journal Title
Journal of Chemical Physics
Volume: 137
Pages: 194505-1~8
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Emergent phenomena in perovskite-type manganites2012
Author(s)
Y. Taguchi, H. Sakai, D. Okuyama, S. Ishiwata, J. Fujioka, T. Fukuda, D. Hashizume, F. Kagawa, Takahashi, R. Shimano, Y. Tokunaga, Y. Kaneko, A. Nakao, H. Nakao, Y. Murakami, K. Sugimoto, M. Takata, K. Yamauchi, S. Picozzi, A.Q.R. Baron, T. Arima and Y. Tokura
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Journal Title
Physica B: Condensed Matter
Volume: 407
Pages: 1685-1688
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Atomic dynamics of low-lying rare-earth guest modes in heavy fermion filled skutterudites ROs4Sb12 (R = light rare-earth)2012
Author(s)
S. Tsutsui, H. Uchiyama, J.P. Sutter, A.Q.R. Baron, M. Mizumaki, N. Kawamura, T. Uruga, H. Sugawara, J.-I. Yamaura, A. Ochiai, T. Hasegawa, N. Ogita, M. Udagawa and H. Sato
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 86
Pages: 195115-1~3
DOI
Peer Reviewed
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