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

中子晶体学和质谱研究地球深处的氢

• 批准号: 21H04519
• 负责人: 奥地 拓生
• 金额: $ 27.96万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04519/
• 关键词: 中性子結晶学; 局所質量分析; 透過電子顕微鏡; 含水鉱物; 水素

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。

除了海水之外，地球上的氢还以氢离子的形式存在，取代了地球内矿物质的晶体结构。事实上，据信比海水更多的氢离子在地球内部不均匀地分布。大规模流动现象是局部引起的。该研究项目的目的是利用中子晶体学和局部质谱技术在原子尺度上了解地球内部氢的行为，但氢的总量和分布仍然未知。在这个研究项目中，我们对含有铝和铁的桥锰矿进行了中子晶体学分析，并确定了其晶体结构中氢的排列和浓度。考虑到样品合成环境的准备状态，我们选择了下一个具体任务来分析非晶态水合石英玻璃的结构，这种玻璃被认为是上地壳中重要的氢主体。由于桥锰石和水合石英玻璃作为氢离子主体存在于高密度和低密度的极端，因此认为对两者进行比较和对比具有重要意义。由于石英玻璃不具有特定的氢位点，因此其水含量是不确定的。因此，为了实现这一目标，需要制备多种含水量的样品。为了有效应用中子晶体学，最终有必要合成足够数量的氘化均质样品以供分析。为了消除在制备多种含水量的样品时进行大量重水合合成时的轻氢污染，我决定必须保持尽可能低的温度并使用导致氢离子在玻璃内部扩散的反应。这是必要的。为了进行此类合成实验，我们使用小型活塞缸在京都大学构建了一个新的高温高压合成环境。

项目成果

Hydrogen incorporation mechanism in the lower-mantle bridgmanite

• DOI: 10.2138/am-2022-8680
• 发表时间: 2024-06-25
• 期刊: AMERICAN MINERALOGIST
• 影响因子: 3.1
• 作者: Purevjav，Narangoo;Tomioka，Naotaka;Okuchi，Takuo
• 通讯作者: Okuchi，Takuo

非晶質惑星物質微粒子の水和過程の中性子準弾性散乱解析

非晶行星物质颗粒水化过程的中子准弹性散射分析

• 发表时间: 2021
• 作者: 奥地拓生;富岡尚敬;瀬戸雄介;梅田悠平;山田武;玉造博夢;柴田薫
• 通讯作者: 柴田薫

Natural and experimental high-pressure, shock-produced terrestrial and extraterrestrial materials

• DOI: 10.1186/s40645-021-00451-6
• 发表时间: 2021-10
• 期刊: Progress in Earth and Planetary Science
• 影响因子: 3.9
• 作者: M. Miyahara;N. Tomioka;L. Bindi

High thermal conductivity of stishovite promotes rapid warming of a sinking slab in Earth's mantle

• DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117477
• 发表时间: 2022-04
• 期刊: Earth and Planetary Science Letters
• 影响因子: 5.3
• 作者: W. Hsieh;Enrico Marzotto;Yi‐Chih Tsao;T. Okuchi;Jung‐Fu Lin

隕石中の高密度ケイ酸塩の形成過程解明にむけてのレーザー衝撃圧縮時間分解X線回折

激光冲击压缩时间分辨X射线衍射阐明陨石中高密度硅酸盐的形成过程

• 发表时间: 2021
• 作者: Norio Kitadai;Satoshi Okada;Akiko Makabe;Eiji Tasumi;Masayuki Miyazaki;富岡尚敬
• 通讯作者: 富岡尚敬