大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年11月28日

2022年11月28日
国立大学法人 東北大学大学院理学研究科
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
国立大学法人 愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター

【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)を超える極限圧力下での金属鉄の音速測定に初めて成功しました。
● 高度に最適化された非弾性X線散乱測定法^(注３)と超高圧発生法の開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測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組成を提案しました。

【詳細な説明】

　地球の最深部に位置する内核は、300万気圧を超える圧力下にあり、鉄を主成分としていると考えられています。しかし、地震波速度の観測により見積もられる内核の密度・音速と、これまでに数多く実施されてきた鉄および鉄合金の高圧実験との比較から、鉄だけでは内核の密度と音速を説明することができず、内核には軽元素が含まれていると予想されてきました。この内核に含まれる軽元素の種類と量を特定することは高圧地球科学の未解明な最重要課題の一つです。
　軽元素の種類と量を特定するためには、基準となる鉄（核の主成分）の高圧下での物性（密度と音速）を正確に見積もる必要があります。近年の高圧実験の手法開発の進展に伴い、密度の直接測定は、300万気圧を超える圧力下での鉄および鉄合金の測定が報告されてきています。一方で音速測定は、実験の困難さから先行研究では100-150万気圧程度での測定に限定されていたため、音速を用いた内核の議論には大きな外挿（がいそう）が必要とされ、核の構造と化学組成の議論に大きな不確かさを与える要因となってきました。
　高圧下における音速測定実験では、高圧条件を作り出すために厚さ1ミクロン程度、直径5ミクロン程度の非常に小さい実験試料を用います。このような微小試料からのX線回折やX線散乱のシグナルは極めて弱く、中でも音速の情報を含む非弾性X線散乱のシグナルはさらに弱いシグナルであるため、長時間の測定を行っても、十分な強度と信号雑音比（SN比）が得られないことが大きな問題とされてきました。
　本研究グループは数年にわたり、弱い非弾性X線散乱シグナルからノイズを除去して音速情報を検出する特殊な光学系の開発を進めました。さらに、高圧実験^(注７)に使用するダイヤモンドアンビル^(注６)の形状を改良し、300万気圧を超える圧力を長時間安定に保持することを可能にしました。以上の方法によって、これまで行われてこなかった300万気圧を超える圧力下での金属鉄での音速の直接測定に成功しました。
　図１は、300万気圧を超える圧力下で測定された金属鉄の非弾性X線散乱のシグナルを示しています。1秒間で0.01-0.02カウント程度の弱いシグナルでも、試料からの非弾性X線散乱のシグナルがはっきりと見て取れます。
　図２は、本研究で測定された高圧下における金属鉄の音速（縦波速度）と密度（Ａ）および音速と圧力（Ｂ）の関係を示しています。先行研究の議論の不確かさの原因となってきた音速測定圧力が本研究で大きく拡張され、内核の密度・圧力範囲での音速を測定することができるようになりました。

　本研究によって、地震学的研究による地球の内核での音速は、内核条件の金属鉄の音速と比べて、縦波速度で4±2％、横波速度では36±17％も遅いことが分かりました。本研究と先行研究の結果をまとめると、地球の内核での音速は、ケイ素や硫黄に富み、酸素に乏しい化学組成で説明できることが示唆されました。今後、本研究で開発された音速測定法によって、300万気圧を超える圧力下でのさまざまな鉄合金や鉄化合物の音速を決定することによって、内核の構造や組成をさらに詳細に解明できるものと期待されます。

【謝辞】
　この研究は、日本学術振興会の科学研究費（JP15H05748、JP20H00187）によって支援され、高圧実験はSPring-8のビームラインBL43LXUにおいて、理化学研究所放射光科学研究センターの実験課題（20190016、20200025、20210023）によって行われました。また、共同利用・共同研究拠点である愛媛大学先進超高圧科学研究拠点との共同研究で実施されました。日本学術振興会、理化学研究所、高輝度光科学研究センターおよび愛媛大学の支援に感謝します。

【用語解説】