大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年05月09日

2022年5月9日
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
国立大学法人筑波大学
国立大学法人大阪大学大学院工学研究科
国立研究開発法人理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター

本研究成果のポイント
○ジルコンという鉱物のレーザー衝撃実験を行い、隕石衝突規模の強い衝撃を受けた瞬間の結晶構造変化を超高速Ｘ線撮影した。
○衝撃による瞬間的な高温高圧状態が引き起こす結晶構造変化は、長時間の高温高圧状態が引き起こす変化とは異なることが分かった。
○温度・圧力条件のみならず時間も結晶構造変化にとって重要なパラメーターであることが実験で確認された。

【背　景】
　ジルコン（ZrSiO₄）は地球上の岩石から隕石まで広く存在する鉱物です。宝石としてご存知の方もいるかもしれません。微量に含まれるウランは質量数238と235の2つの同位体があり、それぞれが半減期約45億年と約7億年で鉛206と鉛207に変化します。ウランと鉛の量比から経過した時間を正確に求めることができるため、ジルコンは地質学的な「時計」として重要な役割を持ちます。これまでの実験で、温度・圧力条件によって高圧相のレーダイトへ結晶構造が変化することや、酸化物（ZrO₂とSiO₂）への分解が起こることが分かっています。それらの変化が天然ジルコン中に残す痕跡を観察することで、過去にどういった温度・圧力条件にさらされていたか、例えば、ジルコンがマグマから形成されてから経過した時間や、隕石衝突を受けてから経過した時間などを知ることができます。
　これまでの実験では、長時間高温高圧にさらされた状態のジルコンが観察されてきました。しかし、隕石衝突による衝撃で高温高圧になるのは一瞬だけです。そのため衝撃下での結晶構造変化、分解などのダイナミクスは実験による再現でも観察することが難しく明らかになっていませんでした。

【研究内容と成果】
　そこで、本研究グループではSACLAにおいて、一瞬だけ衝撃を受けたジルコンの結晶構造を詳細に観察しました。この手法では、高強度レーザーパルスを試料に照射することで衝撃波を発生させ、衝撃前、衝撃を受けている瞬間、さらに衝撃から解放されるまでの結晶構造変化を強いX線パルスを照射して撮影します（図1）。縦横5ミリメートル、厚さ50マイクロメートルのジルコン焼結体試料に高強度レーザーパルスを時間幅5ナノ秒で照射し、同時にSACLAのX線パルスを照射してX線回折像を得ました。
　図2に得られたX線回折像とそのX線回折スペクトルを示します。高強度レーザーパルスのエネルギーごとにデータを並べています。X線回折スペクトルは結晶構造を反映していて、スペクトルのパターンから結晶構造を知ることができます。衝撃前はジルコンのX線回折パターンでしたが、高強度レーザーパルスのエネルギーが3.1 J（ジュール）以上でレーダイトがジルコンに混ざって見られるようになりました。10.3 Jでは約70 GPa、2000℃に達して溶融し、結晶由来のX線回折パターンがなくなりました。衝撃解放過程のX線回折像では、再び結晶化してジルコンとレーダイトの混合状態に戻りました。
　今回のレーザー衝撃過程ではレーダイトへの相転移は見られましたが、分解は見られませんでした。この結果はこれまでの長時間高温高圧状態でおこなわれた実験の結果とは異なり、一瞬の衝撃で分解は起こりにくいと考えられます。

【本研究の意義、今後への期待】
鉱物は周りの温度・圧力によって結晶構造が変化しますが、本研究の様に非常に短い時間に起こる現象を詳細にとらえる事で、時間も結晶構造変化の要因になっていることが分かってきました。今後は様々な時間スケールで温度圧力を変化させた時の結晶構造変化を解明し、過去に起こった隕石衝突の正確な規模の推定に役立つデータを実験から得ることを目指しています。

【用語解説】