大型放射光施設 SPring-8

公開日

2010年10月15日

平成22年10月15日
東京工業大学
独立行政法人海洋研究開発機構
財団法人高輝度光科学研究センター

1．研究の背景と経緯
　地球はその中心部に、半径3,500 kmの金属核（コア）を持っている。コアは、内側の固体コア（内核）と外側の液体コア（外核）に分かれている。すなわち、内核は地球の最深部を構成し、その半径は1,200 kmである（ちなみに月の半径は約1,700 km）。これまでの研究から、内核は鉄を主成分とし５ ％程度のニッケルを含むと広く考えられている。

　内核には強い地震学的異方性（地震波速度や減衰率が伝播方向によって大きく異なること）が観測される。この異方性は内核の成長や内核内部のダイナミクス（動き）について重要な情報を含んでいるが、異方性を解釈するには内核物質（鉄）の結晶構造を決定する必要があった。

　地球の内部は高圧高温の世界である。中心部に位置する内核は、圧力330−364万気圧、温度5,000ケルビン（Ｋ、絶対温度）以上の超高圧かつ超高温下にあるとされる（温度に関しては5,000～6,000 Ｋの範囲で不確かである）。そのような超高圧高温状態を実験室で実現することに、ごく最近まで世界の誰も成功していなかった。そのため、高圧下で鉄の結晶構造を決定する試みは1950年頃から行われているが、内核の条件下で実験が行われたことはなかった。これまでに、低圧の実験や理論計算によって、六方最密充填構造、体心立方構造、面心立方構造、斜方晶構造、ダブル六方最密充填構造など、実にさまざまな構造が提案され（前者３つに関しては図1を参照）、大きな論争になっていた。

　本研究グループは、ダイヤモンドセルと呼ばれる装置を用いて（図2）、これまで超高圧高温の発生に関する技術開発に精力的に取り組んできた。その結果、ごく最近になって、地球中心に至る超高圧高温の発生に成功した（本年４月５日付け報道発表）。今回、その技術を用いて、内核に相当する超高圧高温下で鉄の結晶構造を解明することに成功した。

2．成果
　SPring-8の高圧構造物性ビームライン（BL10XU）において、高輝度Ｘ線を用いて、377 万気圧・5,700 Ｋまでの実験を行い、金属鉄の結晶構造変化を調べた。その結果、内核に相当する超高圧高温下では、六方最密充填構造と呼ばれる、稠密な構造が安定であることが明らかになった（図3の状態図を参照）。また、内核にて観測される強い地震学的異方性（地震波速度や減衰率が伝播方向によって大きく異なること）を説明するには、六方最密充填構造のc軸（図1左に示した結晶構造中の黄色いボックスの縦の辺）が地球の回転軸に平行になるように、個々の鉄の結晶が配列している必要があることがわかった。

3．今後の展開
　今回の成果により、内核中で鉄の結晶が配列している様子が明らかになった。今後、金属の結晶がそのように配列するメカニズムを詳しく解明することにより、内核の成長（外核の液体鉄が結晶化していく様子）や内核の内部のダイナミクス（たとえば、低温部でより多く結晶化した固体鉄が高温部へ移動する様子）があきらかにされると期待される。

　また今回用いた実験技術を使って、コアの他の物性を調べることも重要である。液体金属鉄の密度、粘性、電気伝導度、熱伝導率などをあきらかにすることにより、外核の化学組成（さらには地球の起源物質や誕生メカニズム）、地球磁場の生成メカニズムが解明されるだろう。

《参考資料》