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助成番号 161532
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

超高圧下における鉄合金の融点：地球中心温度の決定

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Melting temperature of iron alloys: the temperature of the center of the Earth

研究氏
代表名
者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓）タテノ

名）シゲヒコ

研究期間 Ｂ

２０１６～２０１８ 年

漢字 ＣＢ

舘野繁彦

報告年度 ＹR

２０１８ 年

Shigehiko

研究機関名

東京工業大学

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Tateno

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名

地球生命研究所・研究員

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
地球は集積直後から現在に至るまで、宇宙空間への熱の放出により冷却を続けている。地表へ向けた熱輸送は、液体鉄合金からなる外核の対流や岩石からなるマントルの対流などのダイナミクスを駆動している。これによる磁場の生成やプレートテクトニクスにより表層環境変動（地殻の生成、大気組成、生命の誕生と進化）は支配されている。
従って、地球中心の温度は、これら地球の熱進化を理解する上で重要である。内核-外核境界の温度(=地球中心の温度)は、この圧力(329GPa)における核を構成する鉄合金の融点に相当する。本研究では、核に含まれる有力な軽元素の候補の１つとして特に硫黄に注目した。そこで Fe2S の超高圧超高温下における相平衡関係を 310GPa,3000K まで調べた。
高温高圧実験にはレーザー加熱ダイアモンドアンビルセルを用い、高温高圧下その場観察を大型放射光施設
SPring-8 の高輝度 X 線を用いて行い、Fe2S の構造探索を行った。180GPa 以上で斜方晶(空間群 Pnma)が安定な結晶構造であることが初めて明らかになった。また、先んじて進めていた鉄-硫黄系の相平衡実験の結果(Mori et al.,2017 EPSL)と合わせ、内核圧力における鉄-硫黄系状態図を制約することができた。これまで最も鉄に富む硫化鉄はFe3S とされていたが、250GPa で分解し、それ以上の圧力では低温では六方晶の鉄と CsCl 型 FeS、高温で六方晶の鉄と Pnma Fe2S が安定である。したがって、内核条件下におけるでは Fe2S が最も鉄に富む硫化鉄である。地球の冷却に伴い液体外核が結晶化し内核が成長する。これを鉄と軽元素の二元系状態図を用いて議論することで核の化学組成を制約することができる。鉄-硫黄系では Fe-Fe2S 系状態図における共融点温度と組成を明らかされれば、地球中心の温度と硫黄が核に含まれる可能性について議論できるようになることが期待される。

キーワード ＦＡ

高温高圧実験

地球中心核（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
Upon Earth’s secular cooling, extensive heat loss to the space leads its transportation from core to surface, which should
control surface conditions and environment of birth of life. Thus, the temperature of the center of the Earth is of a great
importance for understanding the thermal history of the Earth. The temperature of the solid-inner/liquid-outer coreboundary corresponds to the melting point of a metallic-iron alloy that is constituent of the core. Therefore, phase
diagrams of Fe alloys should first be investigated under high-pressure and temperature conditions. Sulfur is considered to
be one of the light elements in the Earth’s core as iron sulfides are universally found in iron meteorites. Here we haveestablished new phase diagram of the Fe–FeS system to 300 GPa on the basis of synchrotron X-ray diffraction
measurements in-situ at high- pressure and -temperature in a laser-heated diamond-anvil cell.
We performed three separate sets of experiments at pressures at 120-310 GPa and temperature up to 3000 K. First, wefind new high-pressure iron sulfide Fe2S stable above 180 GPa to 310 GPa, whose structure was indexed to orthorhombic
structure with Pnma symmetry. Furthermore, we find that hexagonal-closed packed (hcp) structure of Fe and CsCl-typephase of FeS crystallizes in Fe-6wt% S bulk composition at 250 GPa and low temperature to 2500 K. Such phaseassemblage transformed into a mixture of hcp Fe and Pnma Fe2S above 2500 K. Our results indicate that Fe2S is the mostiron-rich iron sulfide, and thus the new end-member phase in the iron-rich portion in the Fe-FeS system above 250 GPa.
The phase diagram in the system of Fe-Fe2S should be studied above 250 GPa to constrain the eutectic temperature andcomposition.

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