高温高圧下における窒素の元素及び同位体分別挙動

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本研究では、地球深部の高温高圧条件下での液体鉄－熔融ケイ酸塩間における窒素の分配特性を明らかにすることを目的として、独自開発した第一原理熱力学積分分子動力学法（AI-TI-MD法, Taniuchi and Tsuchiya, 2018）を用いて、窒素の分配係数に対する温度・圧力・酸素雰囲気の効果や、N2、NH3、FeNなどの窒素の化学種の相違による影響について解明する。本年度は本格的な計算を開始するのに先立ち、計算条件の最適化を行った。予備的な計算の結果、地球の核－マントル境界に相当する135万気圧の圧力において、N2、NH3、FeNはいずれの化学種も親鉄的な挙動を示すこと、またN2、NH3、FeNの順に親鉄性が減少することが分かった。求められた分配係数の値は0~20万気圧程度の低圧下で測定された実験結果と同程度であった。また、熔融ケイ酸塩について鉄を含まない還元的な組成と鉄を含む酸化的な組成の2通りで計算を行った結果、還元的な場合の方がより親鉄的となることが分かった。これらの結果から、基本的な計算条件を適切に設定することができたと考えられる。今後、温度圧力条件を実験が可能な領域にも拡張し、計算の信頼性を注意深く確認するとともに、熔融ケイ酸塩中の鉄濃度だけでなく、液体鉄中の酸素濃度も系統的に変化させて計算することにより、液体鉄－熔融ケイ酸塩間での窒素の分配特性を包括的に解明する。その後、得られた窒素の分配係数を用いて原始地球の成長過程に伴う核、マントル、大気中の窒素量の進化をモデル化する。