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Behavior of light elements in iron-silicate-water-sulfur system during early Earth's evolution

初期地球進化過程における鉄-ケイ酸塩-水-硫黄系における軽元素の振る舞い

飯塚 理子*; 後藤 弘匡*; 市東 力*; 福山 鴻*; 森 悠一郎*; 服部 高典 ; 佐野 亜沙美  ; 舟越 賢一*; 鍵 裕之*

Iizuka, Riko*; Goto, Hirotada*; Shito, Chikara*; Fukuyama, Ko*; Mori, Yuichiro*; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Funakoshi, Kenichi*; Kagi, Hiroyuki*

FeNi合金からなる地球核は、H, C, O, Si, Sなどの軽元素を含んでいると考えられている。その中でHは、宇宙に最も存在する元素であり、最も有望な候補である。これまでの我々の中性子回折実験から、鉄-水系において、水素が他の元素より優先的に鉄に取り込まれることが分かっている。今回、初期地球の組成で水を含んだ鉄-ケイ酸塩系において、Sが及ぼす影響を調べた。その結果、一連の鉄の相転移、含水ケイ酸塩の脱水酸基およびカンラン石・輝石の形成を観察した。またFeの共存相としてFeSが現れた。Hがいる条件でもFeSの格子体積が一定であることから、FeSに水素は入らず、FeSはむしろFeの水素化を阻害することがわかった。高温高圧下から回収された試料を観察すると、FeにはHとSが入っており、HおよびSはFe(H$$_{x}$$)-FeS系の融点を下げる効果があることが分かった。一方回収試料には、C, O, Siなどの他の軽元素は含まれていないため、地球核形成時には、まずFeH$$_{x}$$およびFeSができ、その後さらに高温高圧下でFeHxやFeSが融解した後でないと、それらは核に取り込まれないことが分かった。

The Earth's core consist of Fe-Ni alloy with some light elements (H, C, O, Si, S etc.). Hydrogen (H) is the most abundant element in the universe and one of the promising candidates. In this study, we have investigated the effects of sulfur(S) on hydrogenation of iron-hydrous silicate system containing saturated water in the ideal composition of the primitive Earth. We observed a series of phase transitions of Fe, dehydration of the hydrous mineral, and formation of olivine and enstatite with increasing temperature. The FeS formed as the coexisting phase of Fe under high-pressure and temperature condition, but its unit cell volume did not increase, suggesting that FeS is hardly hydrogenated. Recovered samples exhibited that H and S can be incorporated into solid Fe, which lowers the melting temperature as Fe(H$$_{x}$$)-FeS system. No detection of other light elements (C, O, Si) in solid Fe suggests that they dissolve into molten iron hydride and/or FeS in the later process of Earth's core-mantle differentiation.

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