利用者懇談会研究会報告「地球惑星科学研究会」活動報告
愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター 入舩 徹男
東京工業大学大学院
理 工 学 研 究 科 廣瀬 敬、
大 阪 大 学 大 学 院
理 学 研 究 科 土山 明
独立行政法人海洋研究開発機構 ＩＦＲＥＥ 佐多 永吉
1．目的と活動状況

術開発に関する報告や、トピックス的な研究成果、本研究会はその前身である「高圧地球科学SG」

またそれぞれのグループの年間を通じた成果報告がを発展させて2006年度に発足したものであり、高圧行われます。高圧実験分野の研究者のみならず、地地球科学分野を中心に、地球外物質科学、地球表層球惑星科学の他分野の研究者や理論分野の研究者に環境科学、岩石鉱物科学など、地球・惑星の様々なも講演をお願いし、様々な手法を活用した新しいサ放射光を利用したメンバーから構成されています。

イエンスの展開や技術交流をすすめています。

同名の「研究分野」を構成する唯一の研究会で、一方で組織が大きすぎるため、前述の年一度の発2008年３月の段階で90名近い会員数を擁する、利用表会以外になかなか会員が集まる機会が持てないの者懇談会最大の研究会です。

が悩みです。このため会員によるメーリングリスト

研究会発足の経緯から、会員の多くは高圧地球科を整備し、普段の様々な連絡事項や情報はこれを通学分野の研究者や学生で、特にBL04B1やBL10XUじて連絡をしています。2008年からは高圧関係のビにおける大型マルチアンビル装置とダイヤモンドアームライン高度化に向けたワーキンググループが組ンビル装置を重要な手段として研究をすすめていま織され、独自の活動が開始されつつありますが、こす。またこれ以外にも様々なビームラインにおいて、のようなグループが研究会として立ち上がり、それ回折・イメージングや各種分光学的手法を用いた地らが「地球惑星科学分野」のもとに組織化されると球の中心部から太陽系物質に至る物質科学的研究をいうのが本来の研究会のあるべき姿かもしれませ推進しています。

ん。この点に関しては、2008年度から始まる第２期

SPring-8の高輝度かつ指向性が高く小さく絞れるの研究会の重要な課題の１つです。

放射光X線は、試料の周囲が圧力媒体や加熱材料など様々な物質で囲まれた高温高圧実験において理想2．最近の研究から的な光源です。本研究会の前身である高圧地球科学

本研究会では新しい手法や装置の開発を背景に、SGは、先行ビームラインの１つとしてSPring-8建世界を先導する研究が行われています。そのすべて設時から活動を行っており、そのメンバーは全体でを紹介することは困難であり、ここではここ数年の最初の施設利用成果を1998年にScience誌に発表するなど［1］、活発な研究活動を展開しています。

特筆すべき技術開発や研究の成果について２、３の例をあげるにとどめます。

中でも特筆に値するのは「ポストペロブスカイト相」の発見が、本研究会のメンバーにより2004年に2-1．圧力領域の拡大なされたことです［2］。この成果もScience誌に発表

地球の内部の高温高圧状態を再現する装置にはされその表紙を飾るとともに、地球内部科学の様々BL04B1などに設置されているマルチアンビル型高な分野の大きな注目を浴び、地球科学における今世圧装置（MA）と、BL10XUなどのレーザー加熱ダ紀最大の発見の１つになるであろうとみなされていイヤモンドアンビル装置（LHDAC）があり、それます。

ぞれの特徴に応じた利用がなされています。本研究

本研究会では高圧物質科学研究会と共催で、毎年会のメンバーはこれらの装置や手法の開発を行い、１月初めに研究成果発表会を100名近い規模で行っいずれも世界最高水準の技術力を背景に地球深部科ています。この発表会においてはそれぞれの研究会学の最先端研究をすすめています。の総会とともに、高圧実験や放射光実験の新しい技

MAにおいては通常用いられる超硬合金に比べ、SPring-8 利用者情報／2008年11月 377

RESEARCH GROUP REPORT (SPring-8 USERS SOCIETY)

はるかに高い硬度を有する焼結ダイヤモンド（SD）

2-2．高圧下弾性波速度測定

をアンビル材として用いることにより、前者によるX線その場回折実験により高圧相のP-V-T関係が圧力限界（〜30GPa）を大幅に超える圧力発生が可得られ、その密度変化が高い精度で決定できるよう能になっています［3］。特にここ２〜３年の圧力領になりました。しかし地球内部の密度変化は、地震域の拡大は特筆すべき進歩であり、100GPaの発生波伝播速度を一次データとして様々な仮定のもとにも目前の感があります。このようなSDを用いた推定されており、その不確かさは実験による決定精

MAにおける超高圧発生は世界的にみても本研究会度（＜１％）に比べてかなり大きくなることが避けのメンバーの独断場であり、今後この技術を用いたられません。

下部マントルの相転移や状態方程式の研究が格段にすすむものと期待されます。

地球内部で最も精度よく決定されているのは地震波速度の半径方向の変化Vp（r）、Vs（r）であり、一方で、LHDACにおいてもアンビル形状の変更

深さにもよりますがその決定精度は〜１％程度と考や試料部構成の改良により、圧力・温度発生領域のえられています。地震波速度に対応する弾性波速度拡大が行われており、300GPaを超える地球の中心を実験室で測定する一つの方法は、超音波を試料に部にほぼ匹敵する圧力下での高温高圧相転移実験もあてて試料を通過する時間を測る超音波法です。と可能になりつつあります。この点でも本研究会のメころが密度とは逆に、高温高圧下でこのような弾性ンバーは世界の最先端の位置におり、その技術を用波速度を精度よく測定することは極めて難しく、こいて、最下部マントル領域でのポストペロブスカイれまでは上部マントルに対応する13GP、1300K程ト相の発見や、コア圧力下におけるSiO2の新しい高度の条件に限られていました。

圧相［4］、FeSのB2構造相［5］などの合成に世界で初本研究会のメンバーらは超音波測定技術をめて成功するなど、高いインパクトの研究成果をあSPring-8の大型MAに導入することにより、このよげています。さらにごく最近では、高圧高温下におうな限界を大きく超える20GPa、1800K程度のマンけるX線回折と電気伝導度の同時測定の結果（図１

トル遷移層領域にまで拡大しました（図２）。この参照）、ポストペロブスカイト相への相転移に伴いような技術を用いてマントル遷移層の主要高圧相鉱電気伝導度が３桁以上上昇することが明らかにされ物や、沈み込むプレートを構成する物質の弾性波速ました［6］。マントル最下部の高い電気伝導層の存度を精密に決定しつつあります。この結果、地震波在により、地球の自転速度が変化している可能性が観測データと実験室で得られたデータの直接対比が高いことが示唆されます。また最近では同メンバー可能になり、マントル遷移層の化学組成と物質構成らにより開発された超高硬度ナノ多結晶ダイヤモンド（NPD）を利用した、高温高圧発生試験も行わに関して強い制約を与えることが可能になり、その成果は最近Nature誌などにより発表されました［7］。

れています。

また、この技術を用いて高温高圧下で使える新しい図1 ダイヤモンドアンビルセルの中での、電気伝導度測定の様子。

図2 マントル遷移層最下部に相当する高温高圧条件下での超音波エコーの様子。

378 SPring-8 Information／Vol.13 No.5 NOVEMBER 2008

利用者懇談会研究会報告

圧力スケールの開発もすすめられています。

ーを用いて、火成岩、変成岩、堆積岩（堆積物）や隕

一方、このような超音波法で下部マントル深部領石、宇宙塵など多くの地球惑星物質の３次元構造の域での弾性波速度を測定することは、現在のところ研究がなされています。ここでは、NASAの無人宇困難です。しかし、透光性の高圧相試料の弾性波速宙探査機による「スターダスト」計画によって2006度は、ブリルアン散乱法により測定が可能です。本

年に地球に持ち帰られたWild-2彗星サンプルの研究研究会のメンバーらはDACとブリルアン散乱法を成果について述べます。彗星は太陽系形成時にその組み合わせることにより、100GPaを超えるマント外縁部で生成された天体であり、H2OやCOなどの氷ル全域の圧力に対応する弾性波速度測定法を開発しや始原的な珪酸塩に加えて有機物を含み、太陽系のました（図３）。この手法を用いてMgSiO3ペロブス起源物質としての特徴を持ち続けていると考えられカイトや、急冷回収が困難なポストペロブスカイトています。国際チームによる初期分析により、このの弾性波速度の決定がこのような圧力領域まで可能

人類が初めて手にした彗星塵サンプルには期待されになり、大きな注目を集めています。

た始原的な物質だけでなく高温で生成された物質が見出されるなど、彗星の描像が問い直されつつあります［10］。彗星塵（〜1−100µm）は超音速（6.1km/sec）
で探査機にやってきて、エアロジェルと呼ばれる超低密度（5〜50mg/cc）多孔質SiO2ガラスにより捕獲され、多くの破片に分かれながら衝突トラックと呼ばれる細長い空隙（長さ：〜0.1−10mm、最大幅：〜0.01−1mm）を作っています。衝突トラックについては、投影CTと蛍光X線分析（元素分析とその空間分布）を用いた研究が［11］、またトラックから抽出した破片粒子（〜1−10µm）については、結像CTとX線回折（鉱物組成）を用いた研究がなされ［12］、初期分析にも貢献しました。その後の詳細分析フェーズにおいてこれらの研究はさらに発展され、衝突

図3 BL10XUに設置されたブリルアン散乱装置。ダイヤモンドアンビルセルを用いた高温高圧下で、弾性波速度と体積を同時に観察することができる。

によって破壊された彗星塵粒子の原構造推定が初め［13］。また、放て可能となりつつあります（図４）2-3．マイクロトモグラフィー
SPring-8の高輝度かつ指向性が高い放射光X線は、高空間分解能でのCT（マイクロトモグラフィー）にもきわめて有効です。これにより、吸収を用いたCTでは、定量的な線吸収係数の３次元空間分布（３次元構造）が非破壊で得られることになります。通常の投影CTを用いると［8］、BL20B2では数mm〜数cm程度のサンプルが数〜数10µm程度の画素サイズで、BL47XUやBL20XUでは数100µm〜1mm程度のサンプルが数100nm〜10µm程度の画素サイズでCT撮影できます。また、ゾーンプレー
トを用いたX線結像光学系を用いた結像CTも最近実用化され、BL47XUでは1µm程度のサイズのサンプルが50nm程度の画素サイズで撮影可能となりました［9］。
これらのマイクロ（あるいはナノ）トモグラフィ

図4 トラックに存在するFeの質量から推定した突入粒子径（CI組成を仮定）、 D p , とトラックの入口径、De, との関係［13］。Type-Aは carrot-type、type-Cはbulb typeのトラック。実際の突入粒子は点線で示されたに D p- D eの関係から推定できる。この D p- D eの関係からのずれは、実際の突入粒子のFeの濃度がCIと異なるものによると考えられる。
SPring-8 利用者情報／2008年11月 379

RESEARCH GROUP REPORT (SPring-8 USERS SOCIETY)

射光を用いた非破壊分析の後に行われた電子顕微鏡観察や酸素同位体分析により、彗星塵中にコンドリ［14］。コン
ュールの破片が発見されました（図５）

ドリュールは太陽系形成が始まってから数100万年後に高温で形成されたもので、今回の発見は今後の太陽系形成論に大きな制約を与えることになると考えられます。
「スターダスト」では、彗星塵だけでなく、星間空間から太陽系に落下してくるより始原的な星間塵も回収されています。星間塵は彗星塵よりもさらに小さく（<〜1µm）より高速で衝突しており、その分析は困難で今年（2008年）春からようやく非破壊［3］E. Ito : in Treatise on Geophysics, Elsevier, 2(2007) 197-230.
［4］Y. Kuwayama, K. Hirose, N. Sata and Y. Ohishi :Science 309 (2005) 923-925.
［5］N. Sata, H. Ohjuji and K. Hirose et al.: Am.
Mineral. 93 (2008) 492-494.
［6］K. Ohta, S. Onoda and K. Hirose et al.: Science 320(2008) 89-91.
［7］T. Irifune, Y. Higo and T. Inoue et al.: Nature 451(2008) 814-817, doi:10.1038/nature06551.
［8］K. Uesugi, Y. Suzuki and N. Yagi et al.: Nucl. Instr.
and Meth A 467-468 (2001) 853-856.

での初期分析が始まっています。SPring-8では、現［9］K. Uesugi, A. Takeuchi and Y. Suzuki : Proc. SPIE

在更なる高空間分解能でのCT装置が開発されつつ6318 (2006).
［10］D. Brownlee, P. Tsou and J. Aléon et al.: Scienceあり、その成果が期待されます。

314 (2006) 1711-1716.
［11］A. Tsuchiyama, T. Nakamura and T. Okazaki et al.:Meteor. Planet. Sci. 43 (2008) 247-259.
［12］T. Nakamura, A. Tsuchiyama and T. Akaki et al.:Meteor. Planet. Sci. in press.
［13］A. Tsuchiyama, T. Nakamura and T. Okazaki et al.:Lunar Planet. Sci. (2007) XXXVIII, CD-ROM#1247.
［14］T. Nakamura, A. Tsuchiyama and T. Akaki et al.:Lunar Planet. Sci. 321 (2008) 1664-1667.

入舩 徹男 IRIFUNE Tetsuo
愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター〒790-8577 松山市文京町2-5
TEL：089-927-9645 FAX：089-927-8167

図5 彗星塵C2054, 0, 35, 6（結晶質タイプ）のX線回折パターンと、CTによるスライス像。Micropoikilitic組織を示し、olivine微結晶が少量のガラスとともにCa-poor pyroxene結晶中に存在している。
この組織と、FeOに乏しいolivineおよびpyroxeneの化学組成から、この粒子はかつて1550℃程度の高温に加熱されたことがわかる。２次イオン質量分析計によって測定された酸素同位体は、この粒子が炭素質コンドライト中のコンドリュールの破片であることを強く示唆している［14］。

廣瀬 敬 HIROSE Kei
東京工業大学大学院 理工学研究科 地球惑星科学専攻〒152-8551 東京都目黒区大岡山2-12-1
TEL：03-5734-2618 FAX：03-5734-3538、土山 明 TSUCHIYAMA Akira
大阪大学大学院 理学研究科 宇宙地球科学専攻〒560-0043 大阪府豊中市待兼山町1-1
TEL：06-6850-5800 FAX：06-6850-5480

参考文献

佐多 永吉 SATA Nagayoshi［1］T. Irifune, N. Nishiyama and K. Kuroda et al.:（独）海洋研究開発機構 IFREE〒679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL：0791-58-2750 FAX：0791-58-0830

Science 279 (1998) 1698-1700.
［2］M. Murakami, K. Hirose and K. Kawamura et al.:Science 304 (2004) 855-858.
380 SPring-8 Information／Vol.13 No.5 NOVEMBER 2008