地球核中の水素: 超高圧下における金属鉄-ケイ酸塩液相間水素分配の実験的研究

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本研究課題の目的は、地球形成時、融けたコア物質とマントル物質(マグマオーシャン)が高圧下で化学平衡に達することで、水素がどのくらいコアに分配されうるかを実験的に検証することである。コアを含む地球内部の水素の量を明らかにすることは、地球形成環境を推定する上で非常に重要である。レーザー加熱式ダイアモンドアンビルセルを利用することで実際に初期地球で起きたと思われる高圧高温環境を実験室に再現し、コア物質である金属鉄とマントル物質であるケイ酸塩の間の水素分配挙動を明らかにする。本年度は特に、レーザー加熱式ダイアモンドアンビルセルを用いた液体ケイ酸塩と液体金属鉄の化学平衡実験系の確立を行った。出発物質としてコアの主成分である金属鉄の箔、マントル物質としてブルーサイトとMg-freeパイロライト組成のゲルの粉末混合物(全体のMg/Si比をパイロライト組成になるように調整)を用いた。金属鉄の箔をケイ酸塩ペレットで挟み、さらに断熱材(鉄を含まないパイロライト組成のゲル)で挟んだもの加圧し、レーザーで加熱した。試料を脱圧回収後、集束イオンビームで研磨し、レーザー加熱領域の電顕観察を行った。予備実験ではFeO層が金属鉄とケイ酸塩の間に生じ(3Fe + H2O = FeO + 2FeH)、液体金属鉄と液体ケイ酸塩の化学反応を阻害することが分かった。そこで出発物質の金属鉄、ケイ酸塩や断熱材の厚み、レーザー加熱時の昇温速度を最適化することで、液体金属鉄の周りを液体ケイ酸塩が取り囲むテクスチャを作り出すことに成功すると同時に、ケイ酸塩、金属鉄ともに均質な組成を持つ液体ケイ酸塩-液体金属鉄の化学平衡実験系の確立に成功した。