水素は宇宙で最も豊富に存在する元素であり、その特性は惑星内部の構造や進化に多大な影響を及ぼしていると考えられています。愛媛大学GRCの西真之講師、土屋旬准教授、東京大学の桑山靖弘助教は、高圧実験と理論計算に基づき、水酸化アルミニウムが約190万気圧の高圧下で新しい高圧相に相転移することを初めて明らかにしました。本研究結果は、天王星などの氷惑星や太陽系外のスーパーアースの内部構造や水の分布を考えるうえで重要な知見となると期待されます。

水素(H)は宇宙で最も豊富に存在する元素です。そのため、宇宙空間において氷や水(H2O)を主成分とする氷惑星は、岩石型惑星やガス惑星とならんで主要な惑星の１つです。私たちが住む岩石型惑星である地球も表層の７割は海に覆われており、水の惑星と呼ばれています。さらに地球の内部には海水の数倍の量の水が貯蔵されていると見積もられています。これは地球深部のマントルを構成する鉱物が、結晶構造の中に水を取り込むことがあるためです。特に多量の水成分を含む鉱物は含水鉱物と呼ばれており、プレートの沈み込み運動により地球深部に水成分を運びます。しかしながら、地球より大きな惑星内部の超高圧力環境で、水と共存する鉱物がどのようにふるまうかはよくわかっていません。

研究グループは、水素と酸素とアルミニウムからなる含水鉱物である水酸化アルミニウム(化学式AlOOH)を実験試料として使い、マルチアンビル型装置とレーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルにより、含水鉱物の超高温高圧下でのふるまいを調べました。その結果、水酸化アルミニウムは190万気圧で結晶構造が変化(相転移)することがわかりました。この相転移は第一原理電子状態計算に基づく数値シミュレーションでも検証されました。また、地球マントルの底の約2倍の圧力である270万気圧かつ2000度を超えてもこの鉱物は脱水分解することはありませんでした。　本研究結果により、これまで実験的に検証されることのなかった地球マントル圧力を超える超高圧に耐える含水鉱物が存在することが分かりました。地球より大きな惑星の内部はこのような超高圧環境が想定されます。例えば太陽系の外惑星である天王星、海王星のような氷惑星の内部構造は、氷や水のマントルと岩石質の中心核からなるとするモデルが広く支持されており、含水鉱物の材料となる水と鉱物はいくらでもあります。従来、超高圧下で分解すると考えられてきた含水鉱物は、これらの氷惑星の内部構造モデルにおいて考慮されてきませんでした。本研究から分かる通り、含水鉱物が脱水分解する圧力はまったくの未知であり、氷惑星の中心核は含水鉱物が主構成物質かもしれません。また、近年の観測技術の発展により次々と報告されている太陽系外惑星のスーパーアースにも、地球と同じく沈み込みによるマントル深部への水の輸送があるかもしれません。

論文情報

【論文情報①】

掲載誌：Journal of Geophysical Research-solid Earth
題名：Solid Solution and Compression Behavior of Hydroxides in the Lower Mantle（下部マントルにおける水酸化物の固溶と圧縮挙動）
著者：Masayuki Nishi, Jun Tsuchiya, Yasuhiro Kuwayama, Takeshi Arimoto, Yoshinori Tange, Yuji Higo, Tetsuo Irifune
DOI：10.1029/2019JB018146
URL：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JB018146

【論文情報②】

掲載誌：Icarus
題名：New aluminium hydroxide at multimegabar pressures: Implications for water reservoirs in deep planetary interiors（マルチメガバール領域の新しい水酸化物: 惑星深部の水の貯蔵）
著者：Masayuki Nishi, Yasuhiro Kuwayama, Jun Tsuchiya
DOI：10.1016/j.icarus.2019.113539
URL：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103518306274