Ressearch on hydrogen in the deep earth by neutron crystallography and mass spectroscopy

点击翻译按钮获取中文摘要

地球の水素は海洋水に加えて、地球内部の鉱物の結晶構造を置換する水素イオンとして存在する。実際には海洋水を超える量の水素イオンが地球内部に不均質に分布すると考えられており、それがホスト鉱物の流動特性、潤滑特性、融解温度への強い影響を通して、地震火山現象やマントルの大規模な流動現象を局所的に誘発している。存在総量や分布などにおいてはまだまだ不明な部分が多い、この地球内部水素の振る舞いを、中性子結晶学と局所質量分析の手法によって原子のスケールで理解することが本研究課題の目的である。本研究課題では、これまでにアルミニウムと鉄を含むブリッジマナイトの中性子結晶学解析を進展させ、その結晶構造中の水素の配置と濃度を特定した。試料合成環境の整備状況を踏まえた上での次なる具体的な課題として、上部地殻内での水素ホストとして重要と考えられる、非晶質の含水シリカガラスの構造の解析を選んだ。ブリッジマナイトと含水シリカガラスは、水素イオンのホストとして高密度側と低密度側の両極端にあるので、両者の比較対照には重要な意義があると考えられる。シリカガラスには特定の水素サイトがないので、その含水量は不定である。そこで目的の達成のためには、複数の含水量の試料をつくりわける必要がある。中性子結晶学の効果的な応用のためには、最終的には重水素化された均質な試料を解析に対応できる量だけ合成する必要がある。複数の含水量の試料をつくりわけつつ、大量に重水化合成する際の軽水素のコンタミネーションをなくすためには、温度をできるだけ抑えた上で、水素イオンのガラス内部への拡散による反応を利用する必要があると判断した。このような合成実験を実現するために、小型ピストンシリンダーを用いた高温高圧合成の環境を新たに京都大学に構築した。