Hydrogen in the Earth core inferred from neutron imaging and diffraction

中性子イメージングおよび回折から推定される地球核内の水素

高橋 直生*; 坂巻 竜也*; 服部 高典   ; 舟越 賢一*; 有馬 寛*; 佐野 亜沙美   ; 阿部 淳*; 鈴木 昭夫*

Takahashi, Naoki*; Sakamaki, Tatsuya*; Hattori, Takanori; Funakoshi, Kenichi*; Arima-Osonoi, Hiroshi*; Sano, Asami; Abe, Jun*; Suzuki, Akio*

液状鉄中の水素含有量を測定するため、その場での高圧・高温中性子回折およびイメージング実験を行った。その結果、3.4GPa、1400Kの条件下で液状鉄には0.17(3)wt.%のHが含まれていることが確認され、これはコア形成過程において、液状鉄がマグマオーシャン内で水素化されることを示唆している。マグマオーシャンの底部に存在する液体鉄の水素含有量について、外核と内核にはそれぞれ0.60-0.72wt.%および0.30-0.44wt.%の水素が含まれていると推定された。これは、マグマオーシャン中の水素質量のそれぞれ70-85倍および1.9-2.7倍に相当する。このことは、外核の密度不足の半分以上を水素が占めている可能性を示唆している。水素に富んだ初期大気と平衡状態にあるマグマオーシャンについて、本研究の結果は、液状鉄が大量の水素をコアへ輸送する上で極めて重要な役割を果たしていることを示している。

We performed high-pressure and high-temperature neutron diffraction and imaging experiments in situ to determine the hydrogen content in liquid iron. We observed that liquid iron contains 0.17(3) wt.% H at 3.4 GPa and 1400 K, indicating that liquid iron is hydrogenated in the magma ocean during core formation. For the hydrogen content in the liquid iron at the base of the magma ocean, we estimated that the outer and inner cores contain 0.60-0.72 and 0.30-0.44 wt.% H, corresponding to 70-85 and 1.9-2.7 times the mass of hydrogen in the ocean, respectively. This suggests that hydrogen can contribute more than half of the density deficit in the outer core. For the magma ocean equilibrating with the hydrogen-rich primary atmosphere, the study findings show that liquid iron plays a crucial role in transporting a large amount of hydrogen into the core.