高温高圧実験と先端質量分析から明らかにする下部マントルの窒素最大貯蔵量

高温高压实验和先进质谱揭示下地幔氮的最大储存容量

基本信息

批准号：
22K14123
负责人：
福山鴻
金额：
$ 3万
依托单位：
Ehime University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

窒素は地球大気の主成分であるものの、地球全体でみると相対的に枯渇している元素である (e.g., Marty et al., 2012)。この原因の一つとして、現在も地球深部に存在する鉱物に窒素が取り残されている可能性が提案されている。下部マントル（深さ66O km～）で最も多く存在するbridgmaniteの窒素溶解度に関しては近年複数報告があるものの(Yoshioka et al., 2018; Fukuyama et al., 2023)、下部マントルで2番目に多く存在するferripericlaseに関しては未だ報告がない。加えて、研究代表者の予備実験から最大で約130 ppm含まれることが分かっており、地球深部の窒素最大貯蔵量を大きく更新し得る鉱物であることが分かりつつある。上記のような背景から、本年度はferropericlaseの窒素溶解度に関する実験準備と後述するように実験を数多く行った。実験準備を進めていく中で、MgOと硝酸アンモニウムを混合して出発物質を作成すると、MgOと潮解性を持つ硝酸アンモニウムが反応することが分かった (Mg(OH)2+2NH4NO3→Mg(NO3)2+2NH3+H2O, Rodriguez and Zea (2015))。そこで、このような反応を防ぐため、内径1.1mmの試料カプセルにMgOと硝酸アンモニウムを仕切る金箔仕込んだ新たな試料構成を考案し、実験を進めた。結果として、元々技術的に難しい実験にさらに手間を加えることになり、試行錯誤を重ねることになった。しかしながら、2022年の6月下旬から博士学生として共同利用していた時期の4倍以上のペースで実験を行い、大気海洋研究所でのNanoSIMS分析に必要な試料が揃いつつある。他に、博士課程から取り組んでいたbridgmaniteの窒素溶解度に関する研究が、無事昨年度の3月にScientific Reportsに掲載された。

尽管氮是地球大气的主要成分，但它是一种在全球范围内相对消耗的元素（例如，Marty 等，2012）。有人提出，造成这种情况的原因之一是氮残留在仍然存在于地球深处的矿物质中。尽管近年来有一些关于桥锰矿氮溶解度的报道，桥锰矿在下地幔（深度660 km~）中最为丰富（Yoshioka et al., 2018; Fukuyama et al., 2023），但桥锰矿是最丰富的。下地幔中第二丰富的桥锰矿目前尚未有关于铁镁石的报道。此外，首席研究员的初步实验表明，它的含量高达约130 ppm，并且越来越清楚的是，它是一种能够显着更新地球深处储存的最大氮量的矿物质。基于以上背景，今年我们准备了方镁石氮溶解度的实验，并进行了如下多次实验。在准备实验时，发现当通过混合 MgO 和硝酸铵产生起始材料时，MgO 和潮解的硝酸铵发生反应（Mg(OH)2+2NH4NO3→Mg(NO3)2 +2NH3+H2O，Rodriguez 和玉米（2015））。因此，为了防止这种反应，我们设计了一种新的样品配置，在内径为1.1 mm的样品囊中填充金箔，以分离MgO和硝酸铵，并进行实验。结果，我们不得不在原本技术上困难的实验上付出更多的努力，从而导致大量的尝试和错误。然而，自2022年6月下旬以来，实验的速度比他们作为博士生共同使用该设施时快了四倍多，并且正在收集大气海洋研究所NanoSIMS分析所需的样本。另外，我从博士课程开始就开始研究的桥锰矿氮溶解度的研究，已于去年3月在Scientific Reports上成功发表。

项目成果

期刊论文数量（7）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Temperature dependence of nitrogen solubility in bridgmanite: Evolution of the nitrogen storage capacity of the lower mantle

桥锰矿中氮溶解度的温度依赖性：下地幔氮储存能力的演化

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Ko Fukuyama;Hiroyuki Kagi;Toru Inoue;Sho Kakizawa;Toru Shinmei;Yuji Sano;Cecile Deligny;Evelyn Furi
通讯作者：
Evelyn Furi

The hydrogen-bonding configuration of fluorine-doped brucite under high pressure

高压下氟掺杂水镁石的氢键构型

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Xuejing He;Hiroyuki Kagi;Kazuki Komatsu;Asami Sano-Furukawa;Jun Abe;Ko Fukuyama;Toru Shinmei
通讯作者：
Toru Shinmei

地球コアにおける軽元素と水のふるまい：高温高圧中性子回折実験によるアプローチ

地核中轻元素和水的行为：利用高温高压中子衍射实验的方法

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
飯塚理子;後藤弘匡;市東力;森悠一郎;福山鴻;服部高典;佐野亜沙美;舟越賢一;鍵裕之
通讯作者：
鍵裕之

Effects of sulfur on the hydrogenation of iron in early Earth’s evolution

地球早期演化过程中硫对铁氢化的影响

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Riko Iizuka-Oku;Hirotada Gotou;Chikara Shito;Ko Fukuyama;Yuichiro Mori;Takanori Hattori;Asami Sano-Furukawa;Ken-ichi Funakoshi;Hiroyuki Kagi
通讯作者：
Hiroyuki Kagi

Ultrahigh-temperature and high-prssure experiment for determination of nitrogen isotope fractionation during Earth's core

地核氮同位素分馏测定超高温高压实验

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Riko Iizuka-Oku;Hirotada Gotou;Chikara Shito;Ko Fukuyama;Yuichiro Mori;Takanori Hattori;Asami Sano-Furukawa;Ken-ichi Funakoshi;Hiroyuki Kagi;福山鴻，入舩徹男
通讯作者：
福山鴻，入舩徹男