Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

地球中心核 / 輸送特性 / 高温高圧実験 / 二次イオン質量分析法 / 鉄 / 熱伝導率 / 電気抵抗率 / 自己拡散係数 / ダイヤモンドアンビルセル / 鉄合金 / 電気伝導度 / SIMS

高温高圧環境の地球中心から地表へと向かう大きな熱流は外核とマントルの対流を誘起することにより、約40億年続くとされる地球ダイナモやプレート運動などのダイナミクスの原動力となる。熱伝導率や電気伝導度、粘性率などの輸送特性は地球内部の温度構造と熱進化、ダイナミクスを探るための基礎的な物理量だが、地球中心核の温度圧力条件での測定例は極めて少なく、その報告値には研究グループ間で大きな差異が生じている。
本研究の目的は、地球の核を構成する鉄ー軽元素合金の液体、固体状態での熱輸送特性を実際の地球中心核の温度圧力条件における実験から制約することである。実験で得られる核構成物質の電気・熱伝導率、自己拡散係数から外核・内核の伝導と対流による熱輸送特性を明らかにし、初期地球温度とその冷却過程、内核の誕生時期とダイナミクスなどの地球の熱進化に制約を与えることを目指す。本課題の3本の柱は、1)放射光X線回折(XRD)測定実験によって選択配向評価を行った多結晶体hcp鉄(および鉄合金)の高温高圧下その場電気・熱伝導率同時測定、2)二次イオン質量分析法(SIMS)を用いた鉄同位体比測定による、hcp鉄の高温高圧下自己拡散係数決定、3)サファイアカプセル封入法による鉄(および鉄合金)の溶融状態での伝導度測定である。これら3つのテーマを代表者、分担者、指導学生の計5名が主体的に取り組んだ。1)のテーマについては、六方最密充填構造の鉄の熱伝導率測定を180万気圧、3000ケルビンの条件まで測定することに成功した。2)のテーマでは、技術開発が完了し、高圧鉄試料内部の同位体比の測定を50万気圧までおこなった。3)のテーマでは、提案時とは異なる実験手法を新たに導入することで、当初の目標である地球コア条件での液体鉄の電気抵抗率の測定が実現した。すべての結果を投稿論文としてまとめている。

地球中心核 / 熱伝導率 / 鉄合金 / 高温高圧実験 / 異方性 / 地球・惑星内部構造 / 岩石・鉱物・鉱床学

熱伝導率は地球内部の温度構造と熱進化を探るための基礎的な物理量であるにも関わらず、実際の地球中心核の温度圧力条件での測定例は殆ど存在しない。本研究の目的は、地球の核を構成する鉄ー軽元素合金の熱伝導率を実際の地球中心核の温度圧力条件で実測することである。代表者が開発・実用化を行った高圧下その場熱伝導率測定法と核条件に相当する高温の発生技術を組み合わせることで、地球中心核条件での鉄および鉄合金の熱伝導率測定が可能になった。また、正確な熱伝導率決定のために、高圧その場における試料のX線３次元形状観察手法の確立がなされた。

本課題によって地球マントル、中心核条件での物質の熱伝導率測定手法が確立した。今後、この手法をもちいて地球・惑星深部物質の熱物性が広く計測されていくことで、惑星内部の温度構造や熱進化への理解が大きく進むと期待される。極限環境下での物質の熱物性測定法は高機能材料の開発や物性物理理論の検証などの他分野での応用も大いに期待が持てる。
本課題によって、鉄の高圧相の伝導度には結晶方位異方性があることや、溶融鉄の伝導度測定の困難さが浮き彫りにされた。地球中心核は液体、固体の２層構造を成しており、核の熱進化のさらなる理解のために取り組むべき新たなテーマが明らかにされたことも成果の一つと言える。

地球中心核 / 鉄合金 / 電気伝導度 / 熱伝導率 / 高温高圧実験 / 純鉄の電気抵抗率 / 硫黄の不純物抵抗 / 岩石・鉱物・鉱床学 / 高圧実験

電気伝導度・熱伝導率は地球内部の温度構造と熱進化を知るための基礎的な物理量であるにも関わらず、実際の地球中心核の条件での測定例は殆ど存在しない。本研究の目的は高温高圧実験によって地球の核を構成する鉄―軽元素合金の電気伝導度測定を実際の地球中心核の温度圧力条件で行い、地球中心核の電気伝導度及び熱伝導率構造を明らかにすることであった。技術の開発を経て、実際の地球中心核の温度圧力条件における純鉄の電気伝導度を測定することに成功した。また、硫黄、水素の固溶が鉄の電気伝導度に与える影響も実験から明らかにした。本研究によって得られた結果は地球及び地球型岩石惑星の熱進化を考える上で重要な情報となるだろう。

【研究分担者】
伊藤正一	京都大学	理学研究科	准教授	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
廣瀬敬
大石泰生
末広翔