100万気圧4000度の極限条件下で液体鉄の密度の精密測定に成功〜地球コアの化学組成推定に向けた大きな一歩〜

【発表のポイント】

• 本研究グループの世界をリードする超高圧高温発生技術と、大型放射光施設SPring-8の世界最高性能の放射光X線を用いて、100万気圧4000度という極限条件下で液体鉄の密度の精密測定に世界で初めて成功しました。
• 今回得られた液体鉄の密度は、地球の外核（液体金属コア）の密度と比べると約8%大きいことがわかりました。このことは、外核が純鉄ではないこと、従来有力な不純物とされてきた酸素ではこの密度差が説明できない（水素など別の軽元素が含まれている）ことを意味しています。これは、地球科学で第一級の問題とされてきたコアの化学組成の見積もりに向けた重要な一歩です（コアの化学組成は地球誕生の謎を解く重要な鍵）。
• 今回、X線回折データから液体の密度を精密に決定する汎用的な方法を開発しました。今後はこれを用いた密度決定により、外核の化学組成のさらなる制約、マントル中のマグマの移動・集積などを明らかにしていきたいと考えています。

【概要説明】
　熊本大学の中島陽一助教は、東京大学の廣瀬敬教授、桑山靖弘特任助教らの研究チームとともに、大型放射光施設SPring-8（以下SPring-8）を利用して、地球の液体金属コアの主成分である液体鉄の密度を、100万気圧4000度という、コアの環境とほぼ同じ超高圧高温の極限条件下で決定することに成功しました。

　地球の中心には固体金属の内核、その外側の液体金属の外核があり、ともに超高圧高温下にあります。従来より、液体鉄の密度は観測される外核のそれよりもおよそ10%大きいとされてきました。しかし、過去に高圧下で行われた液体鉄の測定は衝撃圧縮実験によるものであり、誤差が大きいとされてきました。

　外核の密度が液体鉄よりもかなり小さいということは、外核には鉄に加えて軽い元素（水素や酸素など）が大量に含まれていることを意味しています。この軽元素の種類や量を特定することにより、地球の成り立ち、具体的には地球を作った材料物質や、コアがマントルから分離した時の状態を知ることができます。しかしそれには、純鉄との密度差を正確に理解する必要がありました。

　本研究チームは、レーザー加熱式ダイヤモンドセルを使った、静的圧縮法による超高圧高温実験により、地球深部の解明に大きな貢献をしてきました。今回、その開発をさらに進め、SPring-8のビームラインBL10XUにおいて高強度X線集光に取り組むことにより、超高圧高温下における液体鉄のX線回折データを測定しました。また、これまでとは全く異なるアプローチの分析手法を開発することにより、超高圧下における液体鉄の密度の精密決定に成功しました。さらに、ビームラインBL43LXUにおけるX線非弾性測定結果と合わせることにより液体金属コアの全領域にわたる温度圧力条件での液体鉄の密度を明らかにしました。

　今回得られた超高圧下の液体鉄の密度は、地球の外核の密度に比べて約8%大きいことがわかりました。内核の密度のことまで考えると、従来有力な不純物とされてきた酸素ではこの密度差を説明することができないため、水素など他の軽元素の存在が示唆されます。これは、地球科学で第一級の問題とされてきたコアの化学組成の見積もりに向けた大きな一歩になります。

　本研究成果は、日本時間4月23日（木）に米国物理学会誌『Physical Review Letters』に"Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions"（極限条件下における液体鉄の状態方程式）というタイトルで掲載されました。また本論文は、『Physical Review Letters』誌において、特に注目すべき論文（PRLエディターズ・サジェスチョン）として紹介されています。

【発表雑誌】
雑誌名：「Physical Review Letters」
論文タイトル：Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions
著者：Yasuhiro Kuwayama*, Guillaume Morard, Yoichi Nakajima*, Kei Hirose*, Alfred Q. R. Baron, Saori I. Kawaguchi, Taku Tsuchiya, Daisuke Ishikawa, Naohisa Hirao, Yasuo Ohishi
doi：doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.165701
URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.165701
詳細：プレスリリース本文（435KB）