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論文

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

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*

Scientific Reports (Internet), 11(1), p.12632_1 - 12632_10, 2021/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Multidisciplinary Sciences)

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。

論文

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

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

波紋, 27(3), p.104 - 108, 2017/08

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。

論文

Hydrogenation of iron in the early stage of Earth's evolution

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

Nature Communications (Internet), 8, p.14096_1 - 14096_7, 2017/01

AA2016-0524.pdf:0.73MB

 被引用回数:26 パーセンタイル:88.17(Multidisciplinary Sciences)

地球の核の密度は純鉄の密度よりも低く、核の中の軽い元素は長年の問題である。水素は太陽系内で最も豊富な元素であり、したがって重要な候補の1つである。しかし、これまで水素の鉄への溶解過程は不明であった。ここでは、高圧高温その場中性子回折実験を行い、含水鉱物の混合物が加熱されると、含水鉱物が脱水された直後に鉄が水素化されることを明らかにしている。これは、地球の進化の初期に、蓄積された原始物質が熱くなったときに、他の物質が溶けこむ前に水素の鉄への溶解が起こったことを意味する。これは、水素が地球進化の過程で鉄に溶解した最初の軽元素であり、その後のプロセスにおいて他の軽元素の挙動に影響を及ぼす可能性があることを示唆している。

論文

Phase transitions and hydrogen bonding in deuterated calcium hydroxide; High-pressure and high-temperature neutron diffraction measurements

飯塚 理子*; 小松 一生*; 鍵 裕之*; 永井 隆哉*; 佐野 亜沙美; 服部 高典; 後藤 弘匡*; 八木 健彦*

Journal of Solid State Chemistry, 218, p.95 - 102, 2014/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:34.03(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

重水素化したカルシウム水酸化物(Ca(OD)$$_{2}$$)の高圧その場中性子散乱実験を、J-PARCのパルス中性子を用い、パリ-エジンバラプレスとマルチアンビルプレスを用いて行った。常圧には回収できない、高圧常温相の水素位置を含めた原子位置を初めて求めた。高圧下において水素結合が曲がっていることが明らかになり、これはラマン分光の結果と調和的である。高温高圧相に関しては、先行研究の常圧下に回収して求められた構造と一致した。これらの観測結果から、高圧下における相転移はCaO多面体で構成される層のスライドと、Ca原子の変位、Ca-O再構成と水素結合の配向の変化によりおこることが明らかとなった。

論文

Compression behaviors of distorted rutile-type hydrous phases, MOOH (M = Ga, In, Cr) and CrOOD

佐野 亜沙美; 八木 健彦*; 岡田 卓*; 後藤 弘匡*; 亀掛川 卓美*

Physics and Chemistry of Minerals, 39(5), p.375 - 383, 2012/05

 被引用回数:17 パーセンタイル:57.49(Materials Science, Multidisciplinary)

歪んだルチル型構造をとる含水相$$beta$$-GaOOH, InOOH, $$beta$$-CrOOH, $$beta$$-CrOODについて高圧下におけるX線回折実験を行った。$$beta$$-GaOOH, InOOHでは15GPa, $$beta$$-CrOODでは4GPaで高圧下で軸比の圧力応答に変化が見られ、水素結合のあるa軸及びb軸が圧縮されにくくなることが明らかになった。圧縮挙動の変化が起きる圧力は、水素結合を含む酸素-酸素間距離が長いほど、高圧になる傾向が見られた。一方で常圧下において非常に強い水素結合を持つ$$beta$$-CrOOHではそのような変化は見られなかった。これらの挙動は以前$$delta$$-AlOOH(D)で報告された、水素結合の対称化に伴う圧縮挙動の変化に対応していると考えられる。

論文

The Crystal structure of $$delta$$-Al(OH)$$_{3}$$; Neutron diffraction measurements and ab initio calculations

松井 正典*; 小松 一生*; 池田 恵美*; 佐野 亜沙美; 後藤 弘匡*; 八木 健彦*

American Mineralogist, 96(5-6), p.854 - 859, 2011/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:40.6(Geochemistry & Geophysics)

中性子回折実験により、$$delta$$-Al(OD)$$_{3}$$の結晶構造は以前X線回折実験に基づいて報告された${it Pnma}$ではなく${it P}$2$$_{1}$$2$$_{1}$$2$$_{1}$$であることが明らかになった。AlとOの位置はX線回折実験により求めた値を使用し、水素位置は第一原理計算により求めた値を用いて解析を行ったところ、第一原理計算の結果は中性子回折実験の結果とよく一致するものであった。また67GPa付近で${it P}$2$$_{1}$$2$$_{1}$$2$$_{1}$$構造から${it Pnma}$構造へと相転移し、水素が二つの酸素間の中心に位置する対称化が起きることが第一原理計算から示唆された。

口頭

Change in compression in M$$^{3+}$$OOH oxyhydroxide and implication for hydrogen bond symmetrization

佐野 亜沙美; 八木 健彦*; 岡田 卓*; 後藤 弘匡*; 鍵 裕之*; 永井 隆哉*; 亀卦川 卓美*

no journal, , 

InOOH-type M$$^{3+}$$OOH with distorted rutile structure is one of the densest polymorph among oxyhydroxide, and has a strong hydrogen bond. Previous X-ray diffraction study on aluminum oxyhydroxide, $$delta$$-AlOOH(D), reported the change in axial compressibility and axial ratio at high pressure. This change has been attributed to the transition from the structure with asymmetric hydrogen bond (spacegroup P2$$_{1}$$nm) to disordered or symmetric hydrogen bond (Pnnm), that is previously predicted by theoretical and neutron studies. To investigate the detail of the change in compression mechanism in InOOH-type M$$^{3+}$$OOH, we conducted compression experiments on InOOH-type GaOOH (P2$$_{1}$$nm) and CrOOH (guyanaite; Pnnm). In GaOOH, similar behavior to $$delta$$-AlOOH was obtained: b/c decreases rapidly as pressure increases to 10 GPa, but it increases at the pressure range from about 10 to 30 GPa. On the other hand, b/c of CrOOH simply increases to 31 GPa.

口頭

高温高圧下中性子回折実験のための6軸型マルチアンビルプレス

佐野 亜沙美; 服部 高典; 有馬 寛*; 山田 明寛*; 後藤 弘匡*; 岡田 卓*; 八木 健彦*

no journal, , 

BL11"PLANET"では、高温高圧下における中性子散乱実験によって、地球の上部マントルを構成する鉱物や岩石中で水素が果たす役割を明らかにすることを目指している。中性子実験が可能な大きな試料体積を稼ぎながら安定した加熱を行うために、高圧発生装置として6軸型マルチアンビルプレスが導入された。この装置は上下及び水平面内に配した6つの油圧ラムを、独立のプランジャーポンプにより精密に同期制御して、中心に置かれた試料体を加圧する高圧発生装置である。試運転の結果、実験中の各アンビルのストロークの差は数ミクロン以下に抑えられており、プランジャーポンプを用いた加圧制御に問題がないことが確認された。また金属ブロックを用いた加圧試験を行い回収後の面間隔を測定した結果、その差は最大60ミクロン程度で、高圧実験に必要とされる加圧精度を満たしている。電気抵抗の測定によりBiの相転移を検出する圧力定点法による試験では、2段目アンビルの先端サイズ10mmを用いた場合1軸あたり1390kN、7mmの場合は644kNにおいて7.7GPaの圧力発生を確認した。これらのアンビルを用いた場合、外径3mm$$times$$高さ3mmの試料容積を稼ぐことが可能となる。

口頭

高温高圧下中性子回折実験のための6軸型マルチアンビルプレスの概要

佐野 亜沙美; 服部 高典; 有馬 寛*; 山田 明寛*; 後藤 弘匡*; 岡田 卓*; 八木 健彦*; 内海 渉

no journal, , 

地球深部の条件に相当する高温・高圧下での中性子回折実験を目指して、J-PARC MLFの超高圧中性子回折装置PLANETには高圧発生装置6軸型マルチアンビルプレス(圧姫)が導入された。6軸形マルチアンビルプレスはフレームに取り付けられた6つの油圧ラムにより中心の試料を加圧する高圧発生装置であり、DIA機に比べて開口角が広いという利点がある。本件では装置の概要及び試運転の結果について報告する。ビームを用いたコミッショニングでは、ラジアルコリメーターやスリット等ビームラインに備えられた危機により、6-6用高温セル内の外径4mm,高さ4mmの粉末試料について、リートベルト解析に耐えうる品質のデータの取得に成功した。当日はその詳細についても発表予定である。

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