Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

軽元素 / 水素 / 中性子回折 / その場観察 / 地球進化 / 硫黄 / 地球核 / コア-マントル形成 / 放射光X線 / 高圧地球科学 / 水 / 高温高圧 / 高温高圧実験

鉄を主成分とする地球核には、複数の軽元素が存在すると考えられている。中でも宇宙存在度が最大で、最も軽い水素は、鉄水素化物となり鉄の融点や密度を下げることから、地球核の密度欠損を説明しうる有力候補とされてきた。
本研究では水素と硫黄に着目し、原始地球を模擬した鉄ー含水ケイ酸塩系に対して放射線X線とパルス中性子を用いた高温高圧その場観察を行った。鉄の水素化に対する硫黄の影響について調べた結果、硫黄の存在によって鉄の水素化が阻害されることが明らかになった。このことから、地球進化の初期段階では水素と硫黄が固体鉄に優先的に取り込まれ、溶融鉄に他の軽元素が徐々に溶け込んだことが示唆される。

マグマ / 沈み込み帯 / 水流体 / 元素分配 / マントルウェッジ / 微量成分元素 / 高温高圧 / 超臨界流体 / 高温高圧実験 / 放射光X線 / スラブ流体 / 鉱物 / 蛍光X線

高温高圧条件における蛍光X線分析実験によって、多くの元素について、メルトや、メルトと共存する水流体からの蛍光X線スペクトルの測定に成功した。水流体への分配は圧力とともに増大することを確認した。また、ルビジウム、鉛、ストロンチウムを用いた分配実験では、特に鉛は純水には多く分配されないが、塩水には多く分配されることを確認することができた(現在、投稿中)。マントルカンラン岩中の流体包有物の塩濃度を測定する (Kawamotoほか、2013、米国アカデミー紀要)と同時に、塩水に微量成分元素がより多く溶けることが実験的に確かめられた意義は大きい。

シリコンカーバイド / ダイヤモンド構造 / 岩塩構造 / 放射光X線 / 硬度 / 超高圧 / 二酸化チタン相 / 窒化ホウ素 / レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル / 高温高圧 / X線回折法

今年度はシリコンカーバイドに関する実験を行った。工業的に非常によく利用されているダイヤモンドやシリコンはダイヤモンド構造と呼ばれる結晶構造をもっている。ダイヤモンド構造をもつ結晶中では、それぞれの原子が共有結合によって結合しており、この構造を持つ物質は非常に硬いことがよく知られている。またダイヤモンド構造が高圧下で相転移した高圧相は、更に大きな硬度を持つことが期待されるため、これまでダイヤモンド構造を持つシリコンカーバイドなどの高圧相の探索が行われてきた。これまでの研究によると、シリコンカーバイドは約100万気圧でダイヤモンド構造から岩塩構造へと構造相転移を起こすことがわかっているが、これらの研究は200万気圧までの圧力範囲でしか行われていなかった。そこでわれわれは、ダイヤモンドアンビルセル高圧発生装置を用いて、200万気圧以上において出現するシリコンカーバイドの高圧相の研究を行った。実験は、ダイヤモンドアンビルセルの試料室に封入されたシリカとダイヤモンドアンビルのカーボンをレーザー加熱により反応させ、240万気圧下においてシリコンカーバイドを合成し、その構造を放射光X線を用いて決定した。X線回折データによると240万気圧において合成されたシリコンカーバイドは六方晶の構造を持ちその体積は24.731(Å^3)である。これは過去の研究から推定される岩塩構造のシリコンカーバイドの体積より小さく、非常に大きな密度を持つ。今回高圧下で合成された六方晶のシリコンカーバイドはこれまで知られていたダイヤモンド構造や岩塩構造のシリコンカーバイドよりも更に高い硬度を持つ可能性が期待される。

【研究分担者】
三部賢治	東京大学	地震研究所	助教	(Kakenデータベース)