国立大学法人岡山大学
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＜今回の研究成果のポイント＞
- 形成直後の地球マントルの酸化状態は当時の地球表層が生命に適した環境であったかを推定する上で重要であるがよくわかっていなかった。
- 惑星形成末期の巨大天体衝突によって生じるマグマオーシャンでは、2価鉄の電荷不均化反応により3価鉄が生成し、より酸化的になることが示されていた。
- 世界で初めて地球マントルと似た組成の試料を下部マントルに相当する圧力条件（23万気圧以上）で融解させ、2価鉄と3価鉄を定量的に測定する実験に成功した。
- この結果、地球の下部マントル上部（深さ660km～800km）に相当する圧力では現在の上部マントルよりも一桁以上多い3価鉄が生成することが明らかとなった。
- このような超深度マグマオーシャンから結晶化したマントルは現在よりもずっと酸化的であり、生命誕生以前の初期地球大気は二酸化炭素や二酸化硫黄に富み、原始生命にとってとても過酷な表層環境が形成したことが示唆された。
◆概 要
愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センターの桑原秀治助教と入舩徹男教授、海洋研究開発機構（JAMSTEC）高知コア研究所の中田亮一主任研究員、JAMSTECの門屋辰太郎Young Research Fellow、岡山大学惑星物質研究所の芳野極教授の研究チームは、巨大天体衝突によって生じる深いマグマオーシャン中で生成する3価鉄の量を決める実験に成功しました。その結果、下部マントル圧力条件下では理論予測よりもはるかに効率よく2価鉄の電荷不均化反応によって3価鉄と金属鉄が生成することを明らかにしました。
本研究の結果は、地質記録から示唆されている40億年前より以前（冥王代）の非常に酸化的な上部マントルを定量的に説明することができます。また、当時の火山ガス組成が二酸化炭素や二酸化硫黄主体であり、原始生命にとってとても過酷な表層環境が形成したことが示唆されました。今後、地質記録により、提案したマントル大酸化の詳細な検証が期待されます。
本研究成果は、英国の科学雑誌「Nature Geoscience」に2023年5月5日に掲載され、注目すべき研究として同誌のNews & Views欄でも紹介されました。
図１．巨大天体衝突の想像図（上）と2価鉄の不均化反応によるマグマオーシャン酸化メカニズムの概要（下）。2価鉄(Fe2+)の不均化反応により生成した金属鉄がマグマオーシャンから取り除かれ、3価鉄(Fe3+)の割合が増加し、マントルが酸化する。
図２．28万気圧、2600℃の条件にて溶融した急冷カンラン岩試料組織と急冷した溶融カンラン岩試料の鉄価数分析測定結果の例。
図３．本研究から明らかとなった金属鉄共存化におけるマグマ中の酸化鉄に占めるFe3+の割合の変化。下部マントル圧力条件（２３万気圧以上）では、2価鉄の電荷不均化反応の効率が非常に高くなる。
図４．本研究から明らかとなったマグマオーシャン表層の酸化状態と地質記録との比較。20~50%のFe3+を含むマグマオーシャン表層の酸化状態は冥王代の非常に酸化的な上部マントルを説明することができる。
◆論文情報
掲載誌：Nature Geoscience
題 名：Hadean mantle oxidation inferred from melting of peridotite under lower mantle conditions
（和訳：下部マントル条件下でのカンラン岩の融解から推定される冥王代マントルの酸化）
著 者：Hideharu Kuwahara（桑原秀治）, Ryoichi Nakada（中田亮一）, Shintaro Kadoya（門屋辰太郎）, Takashi Yoshino（芳野極）, Tetsuo Irifune（入舩徹男）
DOI：10.1038/s41561-023-01169-4
URL：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01169-4
◆研究サポート
日本学術振興会科学研究費補助金 課題番号：20H01994, 21K18655
◆詳しい研究内容について
超深度マグマオーシャン形成に伴う初期地球マントルの大酸化イベントを超高圧実験により再現
https://www.okayama-u.ac.jp/up_load_files/press_r5/press20230505-1.pdf
◆本件問い合わせ先
＜研究に関すること＞
愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター 助教 桑原秀治
電話：089-927-8153
愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター センター長・教授 入舩徹男
電話：089-927-9645
海洋研究開発機構 高知コア研究所 物質科学研究グループ 主任研究員 中田亮一
電話：088-878-2275
岡山大学 惑星物質研究所 所長・教授 芳野 極
電話：0858-43-3737
＜プレスリリースに関すること＞
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