地球の中心核（コア）は主成分である鉄に軽元素が溶け込んだものと考えられおり、どんな軽元素がどの程度存在するのかという疑問に対して、これまで数多くの実験的研究がなされてきました。有力候補の１つである水素は、高圧下でしか有意に鉄に溶け込まないこと、Ｘ線など従来の実験法では直接観察できないことなどから、その振る舞いはまだよく分かっていませんでした。東京大学大学院理学系研究科の飯塚理子特任助教、八木健彦特任研究員・名誉教授、東京大学物性研究所の後藤弘匡技術専門職員らは、岡山大学惑星物質研究所と日本原子力研究開発機構J-PARCセンターとの共同研究で、水素の振る舞いを直接観察できる超高圧中性子回折装置PLANETを用いて、地球生成初期に集積した物質をモデル化した試料で高温高圧実験を行い、高圧下で温度が上昇し含水鉱物の脱水が起きると、固体のままの鉄に水素が溶け込むことを明らかにしました。このことから、水素が最初に固体の鉄に溶け込み、その後に核−マントル分離や他の軽元素の溶融鉄への溶解が起きた可能性が高いことが示唆されました。
※本研究は、発表者である飯塚理子が愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター在籍時に、八木健彦ら研究グループと行ったものです。
発表のポイント
◆高温高圧下で含水鉱物が脱水してできた水と固体の鉄とが反応して、鉄水素化物が生成する様子がリアルタイムでとらえられ、鉄に水素が取り込まれる様子の直接観察に成功しました。
◆この研究は、茨城県東海村の大強度陽子加速器施設（J-PARC）に建設された超高圧中性子回折装置（PLANET）を用いて初めて可能になったものです。
◆地球の核に含まれると考えられる軽元素の中で、水素が地球形成の初期に他の軽元素に先駆けて鉄に溶け込んだ可能性のあることが明らかにされました。この結果は、地球核の軽元素の問題に関して、新たな理解の可能性を与えるものです。
発表者
飯塚 理子（東京大学大学院理学系研究科附属地殻化学実験施設 特任助教、研究当時：愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター 日本学術振興会特別研究員PD）
八木 健彦（東京大学大学院理学系研究科附属地殻化学実験施設 特任研究員、東京大学名誉教授、愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター 客員教授兼任）
後藤 弘匡（東京大学物性研究所附属物質設計評価施設 技術専門職員）
奥地 拓生（岡山大学惑星物質研究所 准教授）
服部 高典（日本原子力研究開発機構原子力科学研究部門J-PARC センター物質・生命科学ディビジョン 中性子利用セクション 主任研究員）
佐野 亜沙美（日本原子力研究開発機構原子力科学研究部門J-PARC センター物質・生命科学ディビジョン 中性子利用セクション 副主任研究員）
発表雑誌
雑誌名：Nature Communications（オンライン版：１月１３日）
論文タイトル：Hydrogenation of iron in the early stage of Earth’s evolution
著者：Riko Iizuka-Oku*, Takehiko Yagi*, Hirotada Gotou, Takuo Okuchi, Takanori Hattori, Asami Sano-Furukawa
DOI 番号：10.1038/ncomms14096