高温高圧下における鉄－軽元素系合金の物性測定とその地球核への応用

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地球内部はフロンティアであり、その最深部には核が存在している。地球核は液体からなる外核と固体である内核で構成される。またその主成分は鉄であり、そこに軽元素（硫黄や珪素）が含まれていると考えられている。そこで地球核の解明には、鉄―軽元素系の高温高圧実験が不可欠となる。本研究では地球核の温度や組成構造を明らかにすることを目的とし、軽元素の中でも硫黄と珪素に着目し、鉄―硫黄―珪素系の融点・相関係の決定、固体と液体鉄間の軽元素分配実験を実施した。さらに鉄珪素合金の密度・音速同時測定を実施し、地震学的な観測データと比較することで地球核の組成に制約を与えることも目的とした。実験は主に兵庫県にある大型放射光施設Spring-8のビームラインで実施した。BL10XUビームラインでは鉄―硫黄―珪素系合金の融解実験を行い、試料からのX線パターンの消失から融解の判定、ソリダス及びリキダスを決定し、70GPaまでの融解関係の解明に成功した。本研究結果は地球だけでなく水星や火星といった他の惑星にも適用可能であり、惑星の温度構造や核形成プロセスの解明につながる大変重要な成果である。鉄―硫黄―珪素系の軽元素分配に関しては、150GPaまでの圧力条件で実験を実施し、珪素と硫黄それぞれの元素の分配の傾向を明らかにした。本研究結果から硫黄が外核に選択的に分配され、内核と外核の間に組成差が生まれている可能性があることが示唆された。100GPaを超える条件下で多成分系の軽元素分配を実験的に明らかにしたのは初めてのことであり、極めて重要な成果である。鉄珪素合金の密度・音速測定に関しては非弾性散乱法を用いてBL35ビームラインで実施し、90GPa、2500Kまでの温度圧力条件下までの測定を行った。本結果と地震学的観測データ、また純鉄の測定結果を比較することにより、珪素の鉄の弾性的性質に及ぼす影響を定量的に議論することが可能となった。