特別推進研究申請
「地球惑星中心領域の超高圧物質科学」
研究代表者
東北大学大学院理学研究科教授
大谷栄治
1
地球中心領域
どのような組成?
どのような状態?
温度は何度か?
核マントル境界
135GPa, 3500K
地球中心
365GPa,
4000~8000K
地球中心
信頼できる地球内部観測:地震波速度(=音速)、
365 GPa
密度解釈に物性データが必要だが、
4000~8000 K
密度の情報:多
未達成
しかし 地震波速度=音速の情報:稀少
物性データ皆無
これまでの研究は、温度・圧力の外挿
核
次々に明らかになる核の新観測事実
内核はマントルと異なる自転速度をもつ
Laske and Masters (1999)
内核は、方向によって地震
波速度が異なる(異方性)
最内核(Innermost inner
core)が存在
3
核
金属鉄を主成分とする
核の形成・進化(内核の発生・成長):
地球磁場の生成、生命の発生と進化
地球の熱史・温度
極限超高圧
珪酸塩マグマの海
地球と惑星磁場生成と起源
マグマの海で核は分離した。
重いマグマの存在?
核マントル境界の異常
珪酸塩中の鉄のスピン転移、ポストペロブスカイト転移
下部マントル
ホットスポット
外核
上部マントル
660km
Fig. ホットスポット直下の核マントル境界イ
メージ図
下部マントル
D”層
核マントル境界
135GPa, 3500 K
ICB
外核
内核
Labrosse et al. (Nature, 2007)のモデル
マグマの海
現在
核
地球中心365 GPa, 4000~8000K
重いマグマの存在可能性を指摘: Murakami and Bass (PRL, 2010),
Ohtani (PEPI, 1983), Ohtani and Maeda (EPSL, 2000)
5
物質大循環と核
地表から核へ核から地表へ:
物質の大循環: “水”そして炭
INTRODUCTION
素
海洋プレート
海洋プレートの沈み込み
マントルの物性への影響
核マントル境界での核との相互作用
相平衡、融点、粘性、
電気伝導度、音速…
Sano, Ohtani et al. (2008), GRL
6
核・核マントル境界・下部マントルの構成・状態・
大循環の最重要観測情報:地震波速度=音速、密度
研究目的
相転移・融解の解明、密度・音速の測定にもとづ
いて、地球中心領域の物質科学モデルの創出:
研究目的
どのような組成?
どのような状態?
温度は何度か?
3つの課題を世界初の手法で解明
①
②
③
地球核の温度圧力を実現。
圧力スケールを確立。
鉄のスピン転移、磁気転移、構造相転移、
融解などの相転移現象を解明。
音速と密度を測定。
本研究の特徴、独創的な点
①
地球中心部の温度圧力
パルスレーザー加熱
世界初
~5000 K @300 GPa:パルスレーザー
加熱、超高速(ナノ秒)計測技術の導
入:レーザー衝撃波研究者との共同研究
連携研究者 境 毅博士(東北大)
研究協力者 尾崎典雅博士(大阪大)
レーザー衝撃波研究の新進気鋭の若手研究者
レーザー加熱中の試料
(連続加熱の写真)
核をカバーする圧力スケールの
構築:
音速と密度の同時測定:NaCl-B2 、MgO
高温高圧ブリルアン散乱法+放射光X線回折
分担者
村上元彦准教授(東北大)
A diamond anvil
compressed at 374 GPa
and 300 K、Asanuma et al.
AIRAPT (2009)
ポストペロブスカイトを発見、150GPaでのブリルアン散乱の世界記録
8
本研究の特徴、独創的な点
② 鉄のスピン転移、磁気転
移、構造相転移、融解などの
相転移現象を解明
エネルギードメイン放
射光メスバウア分光
法(ED-MS) +X線粉
末回折+レーザー加
熱ダイヤモンドアンビ
ル」統合システムの
構築
世界初
分担者
平尾直久博士(SP-8)
SP8で超高圧発生
高圧技術開発の専門家
9
本研究の特徴、独創的な点
③核と下部マントルの音速と密度の測定
高温高圧X線非弾性散乱法による音速測定
100~350 GPa, 2000~ K
連携研究者 境 毅博士(東北大)核マントル境界の温度圧
力、内核圧力を達成
協力者 Alfred Baron博士(SP8)X線非弾性散乱の権威
SP8-BL35ビームライン責任者
世界最高圧力
100~350 GPa、高温X線非弾性散乱(SP-8
BL35XU)とブリルアン散乱法(SP-BL10XU)
の併用。(~150 GPa, 1500 K) 世界最高圧
力
10
本研究の特徴、独創的な点
③核と下部マントルの音速と密度の測定
外核メルトの密度・粘性測定・界面エネルギー測定
マグマの密度測定:高圧下で重いマグマ
高温高圧X線イメージング法・吸収法による
液体密度の測定
独自開発
分担者
鈴木昭夫准教授 (東北大):マグマ研究の第一人者
寺崎英紀博士(東北大): 金属メルト物性の第一人者
11
本研究の特徴、独創的な点
③核と下部マントルの音速と密度の測定
高温高圧ブリルアン散乱法(~150GPa,1500 K)
下部マントル
核マントル境界
135GPa, 3500 K
分担者
村上元彦
准教授(東北大)
ポストペロブスカイトを発見、150GPa
でのブリルアン散乱の世界記録
世界最高
圧力
協力者
Jay Bass教授(イリノイ大学)高圧ブ
(Murakami et al., EPSL, 2009)
リルアン散乱法の大家・パイオニア
MgO
12
研究目的
相転移・融解の解明、密度・音速の測定にもとづ
いて、地球中心領域の物質科学モデルの創出:
どのような組成?
どのような状態?
温度は何度か?
研究目的
3つの課題を世界初の手法で解明
①
②
③
地球核の温度圧力を実現
圧力スケールを確立
鉄のスピン転移、磁気転移、構造相転移、
融解などの相転移現象を解明
音速と密度を測定
参考資料
研究組織
研
究
代
表
者
大
谷
栄
治
(
東
北
大
教
授
)
超高圧・超高温の発生
連携研究者:連携研究者:境 毅(東北大、助教)
協力者:尾崎典雅(大阪大学、助教):新進気鋭のレーザー衝撃波研究
の若手研究者
エネルギー領域放射光メスバウア+高温高圧X線粉末解析
分担者:平尾直久(SPring8, BL10XU研究員)
SP8で超高圧発生、高圧発生技術開発のプロ:200GPaにおいてメスバウ
ア法でFe2O3のスピン状態を解明
高温高圧X線非弾性散乱法による音速測定
連携研究者:境 毅(東北大、助教):核マントル境界の温度圧力、
研究支援者
2名
内核圧力を達成、151GPaで非弾性散乱法測定に成功
協力者:Alfred Baron博士(SPring8, BL35責任者)
X線非弾性散乱の権威
ブリルアン散乱測定・高温高圧スケール
大学院生
博士4名
修士4名
分担者:村上元彦(東北大 准教授):
ポストペロブスカイトの合成、ブリルアン散乱の世界記録 150 GPaで測定
協力者:Jay Bass (イリノイ大教授):高圧ブリルアン散乱のパイオニア
金属メルト、マグマの物性測定密度・粘性:高温高圧イメージング
分担者:鈴木昭夫(東北大
准教授):マグマ物性研究、放射光イ
メージングの第一人者
分担者:寺崎英紀(東北大
助教):金属メルト物性測定の第一人者
A1
なぜ前年度の申請を行うのか:緊急性
基盤研究(S) の計画を超えた新たな課題を
すでに着手。成功に目処、世界との競争を
リードしたい。
X線非弾性散乱法(IXS)による音速測定:151 GPaで測定
に成功。世界にない高温・高圧での測定に着手したい。
珪酸塩・金属鉄のスピン転移、磁気転移を世界最高の
200 GPaまで測定:高温・高圧で鉄のメスバウア分光
測定で世界をリードしたい。
ブリルアン散乱法で、150GPaまでの音速測定に成功。
A2
本研究の特徴、独創的な点
東北大グループの世界初の試み
1.全地球の温度圧力を実現
世界初
~5000 K @300 GPa:パルスレーザー加熱、超高速
(ナノ秒)計測技術の導入:レーザー衝撃波研究者との
共同研究
核の圧力をカバーする圧力スケールの構築
音速と密度の同時測定による(ブリルアン散乱法)
2.核マントル境界と核での鉄(Fe) の状態解明
エネルギードメイン放射光メスバウア分光(ED-MS)の導入:
「ED-MS +X線粉末回折+レーザー加熱ダイヤモンドアンビ
ル」統合システムの構築
世界初
3.核マントル境界と核での音速測定
100~350 GPa、高温
X線非弾性散乱とブリルアン散乱法の併用。(~150 GPa,
1500 K)
最高圧力
A3
本研究の特徴、独創的な点
東北大グループの世界初の試み
1.全地球の温度圧力を実現
世界初
~5000 K @300 GPa:パルスレーザー加熱、超高速
(ナノ秒)計測技術の導入:レーザー衝撃波研究者との
共同研究
核の圧力をカバーする圧力スケールの構築
音速と密度の同時測定による(ブリルアン散乱法)
2.核マントル境界と核での鉄(Fe) の状態解明
エネルギードメイン放射光メスバウア分光(ED-MS)の導入:
「ED-MS +X線粉末回折+レーザー加熱ダイヤモンドアンビ
ル」統合システムの構築
世界初
3.核マントル境界と核での音速測定
愛媛大
核はカバーしてい
ない: 外挿
主に下部マントル
を対象
焼結ダイヤモンド・マル
チアンビル
下部マントル~100 GPa
超音波法による音速測
定(~30GPa, 1500 K)
高温高圧X線粉末回折
室温核共鳴散乱法
100~350 GPa、高温
X線非弾性散乱とブリルアン散乱法の併用。(~150 GPa,
1500 K)
最高圧力
A3
これまでの実績
1. 高温高圧でのX線その場観察実験:XRD (BL10XU)
a) 核マントル境界条件の実現:
135 GPa, 3000 K (Hirao et al., 2006; Sakai et al., 2007)
b) 核内部の条件の再現:
254 GPa, 3500 K (Asanuma et al., 2008): FeSi合金、FeNiSi合金、Fe3S、(FeNi)3S、
FeHx
c) 地球中心を越える圧力の発生:
376 GPa, 700 Kの実現 (Asanuma et al., 2009)
2. 核マントル境界と下部マントルの研究: 状態方程式と弾性波速
度測定: ブリルアン散乱法@高温・高圧
ペロブスカイト、ポストペロブスカイトの150 GPa領域での音速測定
3. 高圧下における下部マントル鉱物の鉄の価数とスピン状態のNA
ED-MS(放射光メスバウア分光測定)による予察的測定:
135 GPaにおける最下部マントル相、ポストペロブスカイト相の: Fe3+が50%存在しHS
状態、Fe3+もHS状態であることを解明 (BL11XU)
4. 高圧下でのIXS法による音速測定:FeNiSi @151 GPa (BL35XU)A4
研究の現状と研究計画
レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル
A5
Diffraction patterns of Fe0.83Ni0.09Si0.08(Fe-9.8wt%Ni-4wt%Si) at 300 K
300K
λ=0.4108(1) Å
The hcp phase is stable
at the pressure of the center of the
Earth
λ=0.4108(1) Å
λ=0.4109(1) Å
λ=0.4109(1) Å
λ=0.4109(1) Å
A diamond anvil compressed at
374 GPa and 300 K
Asanuma et al. (2009,
AIRAPT)
Typical X-ray diffraction profile for Fe-9.8 wt% Ni-4.0 wt% Si
under high pressures at ambient temperature
A6
核ブラッグ反射を利用した高輝度超単色X線の生成
エネルギー可変の核分光器によるエネルギースキャン
エネルギー領域放射光57Feメスバウアー分光法の原理
放射光
Ie
自然幅
14.4 keV
V
Ig
反強磁性体
57FeBO 単結晶
3
Energy
ΔE~neV
@ ~ Neel temp.
External magnetic field
電子禁制・57Fe-核共鳴散乱が許
容なブラッグ反射による超単色
X線の生成
Smirnov et al. (1997) Phys. Rev.
B 55, 5811.Mitsui et al. (2007)
Jpn. J. Appl. Phys. 46, L821.
放射光
試料
エネルギー可変の核
モノクロメーターによる
エネルギースキャン
Mitsui et al. (2007) JJAP,
46, L930.
A7
✓顕微メスバウアー分光測定が可能な装置・技術が整備済
➡アンジュレータ・ニ結晶分光器・X線集光光学系
✓XRDとMSの装置が干渉しない
✓X線集光光学系により10–30 min.で測定可能!?
✓BL10XU既存の測定技術・装置が使用できる
➡冷凍機,加熱システム,ラマン散乱システム etc.
BL10XUでの高圧XRD・エネルギー領域放射光
57Fe-MS同時測定
世界で唯一のビームライン
GC-CRL
0.004˚
(0.06 mrad, 13
arcs)
放射光
SU8-CRL
0.01˚
(0.2 mrad, 38
arcs)
二結晶分光器
アンジュレータ
X線集光光学系
DAC
NMC
0.001˚
(0.02 mrad, 4
arcs)
14.4 keV
(43.2 keV)
OUT
検出器
(IP/CCD)
@BL10XU
IN
14.4 keV
高温発生用
赤外レーザー
Energy
図4
XRD
高温高圧
57Fe-MS
A8
SPring-8 BL10XUでの高温高圧XRD・エネルギードメイン
放射光57Fe-MS同時測定システムの開発・導入
計画:世界で唯一のビームライン
高温高圧条件で結晶構造・密度と電子構造・
磁気構造が同時に測定可能
SRエネルギードメイン法の利点
・地球深部物質の大きくない超微細相互作用や
高圧下での分裂崩壊の観測に適する
・SR運転モードに依存せず,常時測定が可能
・高輝度放射光+X線集光技術により短時間で測定可能
・スペクトルが解釈しやすく,解析手法が確立済
A9
エネルギー領域放射光57Feメスバウアー分光法の利点
Energy-domain SR Mössbauer
Spectroscopy
Energy
synchrotron
radiation
DAC
Radioactive Isotope Mössbauer
Spectroscopy
Radioactive
source
Energy
従来のメスバウアー吸収スペク
トルが取得可能→解釈が容易
線源では測定不可能な100万気
圧以上における微小試料の測定
が可能
核共鳴前方散乱測定と異なり運
転モードに左右されない
→ユーザーの利用時間の増加
Nuclear Forward Scattering: NFS (Timedomain)
Time
synchrotron
radiation
Time
Detector
Detector
DAC
DAC
A10
マルチメガバール領域での57Feメスバウアー分光測定
放射光メスバウアー分光により300
GPa領域のメスバウアー吸収スペク
トルが数時間で測定可能
[email protected] GPa (Mitsui, Hirao et al. (2009) JSR)
A11
High-pressure Brillouin scattering using DAC
Diamond Anvil Cell (DAC) apparatus
Ar laser (514.5nm)
6-pass tandem Fabry-Perot interferometer
High-pressure Brillouin scattering system
A12
Combined system for simultaneous measurements
Brillouin scattering + XRD + Laser heating
Murakami et al., PEPI, 2009
A13
ダウンロード

申請時資料 - 東北大学大学院理学研究科地学専攻