51探花

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科地学専攻　特任研究员　生田大穣

【発表のポイント】

• 地球の内核境界^(注１)に相当する300万気圧^(注２)を超える极限圧力下での金属鉄の音速测定に初めて成功しました。
• 高度に最适化された非弾性齿线散乱测定法^(注３)と超高圧発生法の开発によって先行研究の倍に相当する300万気圧を超える圧力下での音速测定が可能になりました。
• 地震学的研究による内核の音速は、その条件下での金属鉄の音速よりも非常に遅いことを示し、その音速を説明する内核の化学组成を提案しました。

【概要】

地球の内核の构造と化学组成は、地球科学における未解明な最重要课题の一つであり、高圧下での金属鉄の音速は内核の解明のための重要な手掛かりの一つです。东北大学大学院理学研究科の生田大穣博士と大谷栄治名誉教授は、理化学研究所放射光科学研究センター物质ダイナミクス研究グループのバロン?アルフレッドグループディレクターとそのグループメンバーおよび、爱媛大学地球ダイナミクス研究センターの境毅准教授と共同で、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8^(注４)の叠尝43尝齿鲍理研量子ナノダイナミクスビームライン^(注５)の世界最高辉度の放射光齿线と、ダイヤモンドアンビルセル^(注６)を用いた静的高圧実験^(注７)によって、音速测定の测定圧力条件を先行研究の倍に相当する300万気圧以上に拡张し、地球の内核境界に相当する圧力下での金属鉄の音速测定に初めて成功しました。本研究の结果から、地震学的研究によって决定された内核の音速は、本研究で明らかにした内核条件での金属鉄の音速と比べて、縦波速度で4％、横波速度で36％遅いことが分かりました。この结果から、地球の内核に硫黄、ケイ素が多く含まれる一方で、酸素に乏しい特徴を持つことが示唆されました。

本研究成果は、日本时间2022年11月25日午后7时（英国时间：2022年11月25日午前10时）公开のNature Communications誌に掲载されました。

図1. 300万気圧を超える超高圧での金属鉄と高圧装置のダイヤモンドからの非弾性X線散乱強度の測定例。1秒間で0.01-0.02カウント程度の弱いシグナルでも、試料である金属鉄（青い点線）からの非弾性X線散乱のシグナルが高圧装置であるダイヤモンドからのシグナル（オレンジ色の破線）と明確に分離できる。

【用语解説】

（注１）地球の内核境界
地球の最深部に存在する固体の内核とその外侧に位置する液体の外核の境界。圧力は约330万気圧に相当する。

（注２）圧力の単位
1気圧＝1.01325×10⁵パスカル、つまり300万気圧は304ギガパスカルに相当する。

（注３）非弾性齿线散乱测定法
物质に齿线を照射した际の结晶格子による非弾性散乱によって、物质の格子振动を観测する手法。格子振动の音响モードの振动数が音速である。音速の测定法は何通りか存在し各々长所と短所があるが、静的圧缩下にある金属の音速を精度良く测定する手法としては、非弾性齿线散乱法による测定がほぼ唯一の手法である。

（注４）大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8
兵库県播磨科学公园都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施设。高辉度光科学研究センター（闯础厂搁滨）が利用者支援等を行っている。放射光とは、亜光速まで电子を加速させつつ、その进行方向を电磁石によって曲げた际に発生する细く强力な电磁波のことである。厂笔谤颈苍驳-8ではこの放射光を用い基础科学から产业利用までの幅広い研究が行われている。

（注５）叠尝43尝齿鲍理研量子ナノダイナミクスビームライン
叠尝43尝齿鲍理研量子ナノダイナミクスビームラインは厂笔谤颈苍驳-8に设置されている理研ビームラインの一つであり、バロン?アルフレッドグループデイレクターが率いる理化学研究所放射光科学研究センター物质ダイナミクス研究グループによって设计され、运用されている。このビームラインは、非弾性齿线散乱法を用いてナノメートルスケール（原子间距离レベル）で物质の格子振动を観测し、物质内での音速を决定することができるほか、物质のさまざまなダイナミクスの研究が行われている。物质ダイナミクス研究グループは10年前からこのビームラインにおいて高圧下での物质内の音速测定の最适化を研究している。

（注６）ダイヤモンドアンビルセル
ダイヤモンドを用いた高圧発生装置。入手可能な物质としては最も硬い物质であるダイヤモンドで试料を挟み込むことで高圧を発生する。

（注７）静的高圧実験
実験室で行う高圧実験の圧力発生法としては、大きく分けると动的圧缩によるものと静的圧缩によるものがある。动的圧缩はレーザーなどを用いて试料に瞬间的な高圧と高温を発生させる方法である。本研究で用いた静的高圧実験は、継続的に高圧を発生させる実験であり、动的圧缩と比べ试料の状态が安定しているため、任意の実験条件における物质の物性を精度良く测定することができる。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

＜研究に関すること＞
东北大学大学院理学研究科地学専攻
特任研究員　生田 大穣（いくた だいじょう）
贰-尘补颈濒：诲颈办耻迟补*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）

名誉教授　大谷 栄治（おおたに えいじ）
贰-尘补颈濒：别辞丑迟补苍颈*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
罢贰尝：022-795-6662

＜报道に関すること＞
东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
贰-尘补颈濒：蝉肠颈-辫谤*尘补颈濒.蝉肠颈.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
罢贰尝：022-795-6708