大型放射光施設 SPring-8

公開日

2019年12月11日

2019年12月11日
愛媛大学
高輝度光科学研究センター

詳細
　水素(H)は宇宙で最も豊富に存在する元素です。そのため、宇宙空間において氷や水(H₂O)を主成分とする氷惑星は、岩石型惑星やガス惑星とならんで主要な惑星の１つです。私たちが住む岩石型惑星である地球も表層の７割は海に覆われており、水の惑星と呼ばれています。さらに地球の内部には海水の数倍の量の水が貯蔵されていると見積もられています。地球深部のマントルを構成する鉱物が、結晶構造の中に水を取り込むことがあるためです。特に多量の水成分を含む鉱物は含水鉱物と呼ばれており、プレートの沈み込み運動により地球深部に水成分を運びます。しかし、地球より大きな惑星深部の超高圧力環境で、水と共存する鉱物がどのようにふるまうかはよくわかっていません。

研究グループは、様々な化学組成の含水鉱物を実験試料として用い、大型放射光施設SPring-8 ^(注1) 設置のマルチアンビル型装置とレーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルにより、含水鉱物の超高温高圧下でのふるまいを調べました。その結果、地球深部の含水鉱物は周囲の環境に応じてその化学組成を大きく変えることや、水素と酸素とアルミニウムからなる水酸化アルミニウム (AlOOH) は190万気圧で結晶構造が変化(相転移)することがわかりました。水酸化アルミニウムの相転移は第一原理電子状態計算に基づく数値シミュレーションでも検証されました。また、地球マントルの底の約2倍の圧力（270万気圧）・2000度を超えても水酸化アルミニウムは脱水分解することはありませんでした。
　本研究結果により、これまで実験的に検証されることのなかった地球マントル圧力を超える超高圧に耐える含水鉱物が存在することが分かりました。地球より大きな惑星の内部はこのような超高圧環境が想定されます。たとえば太陽系の外惑星である天王星、海王星のような氷惑星の内部構造は、氷や水のマントルと岩石質の中心核からなるとするモデルが広く支持されており、含水鉱物の材料となる水と鉱物はいくらでもあります。従来、超高圧下で分解すると考えられてきた含水鉱物は、これらの氷惑星の内部構造モデルにおいて考慮されていませんでした。本研究から分かる通り、含水鉱物が脱水分解する圧力は全くの未知であり、氷惑星の中心核は含水鉱物を多量に含むかもしれません。また、近年の観測技術の発展により次々と報告されている太陽系外惑星のスーパーアースにも、地球と同じく沈み込みによるマントル深部への水の輸送があるかもしれません。

用語解説

研究サポート
・JSPS科研費 JP19H01994, JP15H05469, JP25220712, JP15H05829, JP16H06285, JP26800274, JP26400516, JP15H05834.
・実験は大型放射光施設SPring8のBL04B1 (課題番号 2010A0082, 2015A0075)とBL10XU (2016A1476, 2017B1110)で行われました。