高温高圧下での鉄-ケイ酸塩-水系の中性子回折その場観察

neutron diffraction of iron hydride in iron-silicate-water system under high pressure and high temperature condition

飯塚 理子*; 八木 健彦*; 後藤 弘匡*; 奥地 拓生*; 服部 高典   ; 佐野 亜沙美   

Iizuka, Riko*; Yagi, Takehiko*; Goto, Hirotada*; Okuchi, Takuo*; Hattori, Takanori; Sano, Asami

水素は太陽系で最も豊富にある元素で、地球核に含まれる軽元素の最も有力な候補である。しかしながら水素は、X線では見えないこと、常圧下では鉄から簡単に抜け出てしまうことから、その溶解量やプロセスは未知である。本研究では、J-PARCのPLANETを用い、鉄-含水鉱物系の高温高圧下中性子その場観察実験を行った。その結果、約4GPaで含水鉱物の分解によって生じた水が鉄と反応し鉄酸化物と鉄水素化物を生成することを確認した。この時生じた鉄水素化物は、さらに温度を挙げても安定であった。この反応は1000Kで起きたが、その他の物質に関して融解は起きなかった。このことは、地球形成期初期に水素が、他の軽元素に先んじて鉄に溶けることを示唆している。

Hydrogen is the most abundant element in the solar system and is considered to be one of the promising candidates of the light elements in the Earth's core. However, the amount of hydrogen dissolved in the core and its process are still unknown because hydrogen cannot be detected by X ray and easily escapes from iron at ambient conditions. In this study, we have conducted high-pressure and high-temperature in-situ neutron diffraction experiments on the iron-hydrous mineral system using PLANET in J-PARC. We observed that the water, which was dissociated from a hydrous mineral, reacted with iron to form both iron oxide and iron hydride at about 4 GPa. Iron hydride remained stable after further increase in temperature. This formation occurred at 1000K, where no materials melted. This suggests that hydrogen dissolved into iron before any other light elements dissolved in the very early stage of the Earth's evolution.