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研究代表者 東北大学大学院理学研究科教授　大谷栄治

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 365 GPa 4000~8000 K 未達成 物性データ皆無. 信頼できる地球内部観測：地震波速度（＝音速）、密度解釈に 物性データ が必要だが、　　 　　密度の情報：多　 　　しかし　 地震波速度＝ 音速の情報：稀少 　　これまでの研究は、温度・圧力の外挿. 2. 核. 次々に明らかになる核の新観測事実.

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研究代表者 東北大学大学院理学研究科教授　大谷栄治

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  1. 研究代表者 東北大学大学院理学研究科教授　大谷栄治 1

  2. 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 365 GPa 4000~8000 K 未達成 物性データ皆無 信頼できる地球内部観測：地震波速度（＝音速）、密度解釈に物性データが必要だが、　　 　　密度の情報：多　 　　しかし　地震波速度＝音速の情報：稀少 　　これまでの研究は、温度・圧力の外挿 2

  3. 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

  4. 核 金属鉄を主成分とする 核の形成・進化（内核の発生・成長）:　地球の熱史･温度 地球磁場の生成、生命の発生と進化 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。 4

  5. 核マントル境界の異常 重いマグマの存在？ 下部マントル ホットスポット 外核 上部マントル 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 660km D”層 外核 核マントル境界 135GPa, 3500 K ICB 内核 地球中心365 GPa, 4000~8000K 珪酸塩中の鉄のスピン転移、ポストペロブスカイト転移 Labrosse et al. (Nature, 2007)のモデル マグマの海 現在 核 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

  6. 地表から核へ核から地表へ：物質の大循環： “水”そして炭素 物質大循環と核 INTRODUCTION 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

  7. つながり　　地震波速度、弾性波、音速 説明 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　地球核の温度圧力を実現。 　　圧力スケールを確立。 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。 ③　音速と密度を測定。 7 2

  8. 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 A diamond anvil compressed at 374 GPa and 300 K、Asanuma et al. AIRAPT (2009) 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 8

  9. 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

  10. 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 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 10

  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 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

  12. 下部マントル (Murakami et al., EPSL, 2009) MgO 核マントル境界 135GPa, 3500 K 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) 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 協力者 Jay Bass教授（ｲﾘﾉｲ大学）高圧ブリルアン散乱法の大家・パイオニア 世界最高 圧力 12

  13. つながり　　地震波速度、弾性波、音速 説明 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　地球核の温度圧力を実現 　　圧力スケールを確立 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 ③　音速と密度を測定 13 2

  14. 参考資料

  15. 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 研究支援者 2名 大学院生 博士4名 修士4名 連携研究者：境　毅（東北大、助教）：核マントル境界の温度圧力、 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 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

  16. 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

  17. 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 世界初 1.全地球の温度圧力を実現 ～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

  18. 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 世界初 1.全地球の温度圧力を実現 ～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 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 A3

  19. これまでの実績 • 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ＮＡＥＤ-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

  20. 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

  21. Diffraction patterns of Fe0.83Ni0.09Si0.08(Fe-9.8wt%Ni-4wt%Si) at 300 K 300K The hcp phase is stable at the pressure of the center of the Earth λ=0.4108(1)Å λ=0.4108(1)Å λ=0.4109(1)Å λ=0.4109(1)Å A diamond anvil compressed at 374 GPa and 300 K λ=0.4109(1)Å 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

  22. 核ブラッグ反射を利用した高輝度超単色X線の生成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 Ie 自然幅 V 14.4 keV Ig 放射光 Energy ドップラーシフト 試料 V 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 ΔE~neV 反強磁性体 57FeBO3単結晶 @ ~ 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 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 Smirnov et al. (1997) Phys. Rev. B 55, 5811.Mitsui et al. (2007) Jpn. J. Appl. Phys. 46, L821. Mitsui et al. (2007) JJAP, 46, L930. A7

  23. ✓顕微メスバウアー分光測定が可能な装置・技術が整備済✓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. GC-CRL 0.004˚ (0.06 mrad, 13 arcs) NMC 0.001˚ (0.02 mrad, 4 arcs) SU8-CRL 0.01˚ (0.2 mrad, 38 arcs) Energy 検出器 (SC) 14.4 keV v NMC 57Fe-MS 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 @BL10XU 14.4 keV (43.2 keV) OUT 二結晶分光器 IN 放射光 検出器 (IP/CCD) X線集光光学系 アンジュレータ DAC 高温発生用 赤外レーザー 図４ XRD A8 高温高圧

  24. 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

  25. エネルギー領域放射光57Feメスバウアー分光法の利点エネルギー領域放射光57Feメスバウアー分光法の利点 Radioactive source synchrotron radiation Detector Detector Detector synchrotron radiation Time Energy Time DAC Analyzer Energy DAC • 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 Energy-domain SR Mössbauer Spectroscopy Radioactive Isotope Mössbauer Spectroscopy Nuclear Forward Scattering: NFS (Time-domain) DAC A10

  26. マルチメガバール領域での57Feメスバウアー分光測定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 GdFe2@302 GPa (Mitsui, Hirao et al. (2009) JSR) A11

  27. 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

  28. Combined system for simultaneous measurements Brillouin scattering + XRD + Laser heating Murakami et al., PEPI, 2009 A13

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