微量元素の局所構造に残された惑星地球活動 の重要』情報の解読
17204049
平成17年度~平成19年度科学研究費補助金
(基盤研究(A))研究成果報告書
平成20年4月
研究代表者吉朝朗
熊本大学大学院自然科学研究科教授
Decipherment ofimportant record concerning the earth and planet activity that remains hi local structure oftrace elements
PROJECT NUMBER : 17204049
Grant-in-Aid for Scientific Research (A) 2005~2007
HEAD INVESTIGATOR :
Aldra Yoshiasa Graduate School of Science and Technology, Kumamoto University
INVESTIGATORS :
Hiroshi Isobe Graduate School of Science and Technology, Kumamoto University Takuya Matsumoto Graduate School of Science, Osaka University
MakiOkube Materials and Structures Laboratory, Tokyo Institute ofTechnology
Hirokt Okudera Graduate School of Science and Technology, Kanazawa University
Iksuko Terada Japan Synchrotron Radiation Research Institute,
、ヘーー~~
巳
はしがき
最先端の測定法と解析法を用いたX線吸収分光法・X線回折法により決定し た微量元素の精密局所構造の`情報から、惑星地球レベルの諸活動・現象解明の 更なる手掛かりや重要情報を得る試みである。精密構造解析技術による化学結 合性、配位数、原子間距離、熱運動などの定量的な決定により、各微量元素の
占有位置や化学状態、物性に関する定数を精密化した。
①「惑星物質内の希ガスが固体中の何処に入っているか。脱出挙動と化学結 合性、非調未ロ有効ポテンシャルは如何なるものかを明らかにする。」②「白亜紀 /第三紀境界層中の砒素やイリジウム、亜鉛などの特定濃集元素が固体中の何処 に入っているか。局所構造や化学結合状態等を知り、なぜこれらの元素のみが 極端に高い濃度で濃集しているのかを明らかにする。」③「地球下部マントル物 質MgSiO3ペロブスカイトに、ある種の不純物や欠陥を伴う元素置換、固溶体を 形成すると物性が大きく変わるのか。各微量元素周りの局所構造から物性の発 現機構を明らかにする。」の重要課題に取り組んだ。各課題において成果が得ら れ、国際誌等で公表した。①の課題では脱ガス温度と占有席の関係や-部の元 素が特異な化学結合性を有することを明らかにした。さらに新たな測定方法の 開発に成功した。②の課題では、白亜紀/第三紀境界層中でAsは上酸として4配 位席を占有し、4配位指向の強いZnが6配位席を占有していることが明らかに
なった。外部天体衝突時での高温下やその後の環境の急変による元素の特異な 挙動が判明しつつある。③の課題では、地球下部マントル物質ペロブスカイト 相の圧力・温度変化の詳細を精密化した。ABO3ペロブスカイト型構造をとる物 質は、立方品と低対称相でA席とO席の熱的挙動が大きく異なり、それが物性 に反映し、微量元素の席選択制に影響を与え、A席O席それぞれの電子状態が 他の原子の状態に大きく影響を与えることを明らかにした
キーワード
微量元素の局所構造(2)高温高圧実験(3)X線吸収分光法 微量元素の化学結合性(5)精密構造解析(6)地球惑星物質内の希ガス
惑星地球活動(8)KT境界層中の微量元素
10.
(1)
(4)
(7)
PIB色ce
ThisresearchisanattempttoreadtheimportantlBcudconceminglhee2mlandplanet activiIythatIanainsmlocalstrucmleof亡aceelemnentsmxmationonapXeciselocalstruchJIe amundaspeciHc]dmlelelnemisObtaineClbyXPIayabsuptionspectmscopyandU]cXIay CM缶actiommed]odsPhysicalpropertiesmeasurement,electronicstatemeasumnentsand structureanalysesareputintoclosecontacttoinvestigatedetailsoftllemelts,
amorphousandclystalsmaterialsunderextremeconditiomT11eexperilnentsare perfbrmedm-s伽,byusingworld,stopleveleqUipmentssuchasSpring8synchrotron facilitiesonleIesearcllaimstheconstructionoflhetheorythatlinkstllenanomete砂Ievel structure,themacroscopicpropertiesandthetextulesandhistoryinnlultielementand multiphasessuchastlleEarth,sinterior・
LocalstructureoftraceelementsmKPTboundaryclayswasstudiedbyXAFS spectroscopy、Arsenicasanexcessivelyconcentratedelementoccupiestl1eAsO4 tetraheClralsiteofamineralmKPTboundaryclaysandthecllaracterizationofXAFS spectraagreewellwitMlcvaluesofAs(+5)mineralsaccordingtothecomparisonwith severaltypesofarsemcnminerals・TheguestFeelementsmA1ZSiO5灯anitehave higd1er-valencesta⑩esoftetmvalentandtlleFe白Obonddistanceisof1.865(7)(A)
becausels/anitelladbeenexpeliencedthehigilpressuleandhighoxidizedconditiom ThelocalstructureandreactivityofmblegasmmmemlshasbeeninvestigatedSevelal kindsoだ、oblegas-dopedmmeralsweresD/、thcsizedmderhigd1pressuresand
temperaturesandweresuhjectedtomassspectroscopyandXAFSInterestinglWhe atomcdistancesbetweeMoblegasandneighbomgatomsappe鵬dtobeshorterthan tlledistancesexpectedfbrtllecaseofsimpleadsorptionmeselesultssuggesttllat nOblegas血:。]tbeboundmthesampleswithinteractionstrongerthantlleadsolption
and/orexistmtheinternalsitesofthestructureofthehostminerals.
KEYWORDS
highpressureandhightempemture chemicalbondingoflraceelements Raregasintheearth,smatelials ThPaceelementinKPTbounClary
1ocalstmchJIeoftmceekments (2)
X-rayabsorptionspectroscoW(4)
precisestructuI巳analysis (6)
thee2mlandplanetacMy(8)
(1) (3)
(5) (7)
研究組織
研究代表者:吉朝朗 研究分担者:磯部博志 研究分担者:松本拓也 研究分担者:奥部真樹 研究分担者:奥寺浩樹 研究分担者:寺田靖子
(熊本大学・大学院自然科学研究科・教授)
(熊本大学・大学院自然科学研究科・准教授)
(大阪大学・大学院理学研究科・助教)
(東京工業大学・応用セラミックス究所・助教)
(金沢大学・大学院自然科学研究科・助教)
(Spring-S・高輝度光科研センター・研究員)
交付決定額(配分額)(金額単位:円)
直接経受 29,000,000
5,000,000 1,500,000 35,500,000
間接経受 8,700,000 1,500,000 450,000 10,650,000
合計 37,700,000
6,500,000 1,950,000 46,150,000 平成17年度
平成18年度 平成19年度
総計
研究成果 (1)学術論文等(論文標題、著者名、雑誌名簿)
2005年
Crystalstructureofsing1e-crystalCaGeO3tetragonalgarnetsyntllesizedat3GpaanCl lOO0℃,
ANakatsuka,HChayaandAYbshiasa(2005)AmMineral90,755-757 Structureofoxide-ionPconductinglantllammloxyapatite,La9.33(SiO4)60Z
HOkudcraoYMasUbuchiII,SKimEawallandAYOslliasa,(2005)SolidStatelonics,
176,1473-1478
A血armonicefIectivepairpotentialsmcL-,B-andYCuldetenmnedbyExtendedXPray
AbsoIptionFineStructure.
AkiraYoS11iasa,MakiOkube,OsamuKamishima,HiroshiArima,HirolKiOkudera,
Yasuko配raClaandAkihikoNakatsuka(2005)SolidStatelonics,176,2487-2491.
P11aserelationandstructulCsofCulPhasesathigilpressureandtemperature・OOhtaka,
K・Kubo,H・AIima,YItakura,H・Fukui,IKikegawa,YKatayama,MShimonoand A・YOshiasa,2005,Joint20thAmAPP43thEITRQKarlsruhe/Germany2005,1-8 圧力誘起による液体ジャーマネートの構造変化
有馬寛、大高理、吉朝朗、(2005)高圧力の科学と技術,15,52-59 rllermalvibrationoftherutile-typeClifluoridesoffirst-rowtransitionmatals.、
KMurai,AYOshiasa,mYanlanakaandl・Nakabayashi,(2005)P11ysicaScripta,T115,
267-2フ0.
入門講座「こんなことができる放射光」
吉朝朗、高田昌樹、神谷信夫(2005)曰本結晶学会誌,47107
E1ectricalconductivitiesandconCluctionmechamsmsofperovskite-typeNaLxKxMgF3 (x=0,0.1,1)anClKZnF3,
AYbshiasa,DSakamoto,Hokudera,MSugahara,KOtaandANakatsuka,(2005)Z・
anorg・allgChem.,631,502-506.
XArSstudyofA-sitedeficientLa0.63TiO・g2NbOO803perovskite.
A・Ybslliasa,M,Okube,H・Okudera,A・Nakatsuka,M、Yashinla,A、Sakai,MMoriand RAli,(2005)P11ysicaScripta,T115,3フュ-374.
XAFSstudyofthePerovskite-typeprotonconductorSrZrO9Yb0.103-.
M.Okube,A・YCsl1iasa,M・Yashima,K・Ohuchi,ⅢIshimum,CNimlakoandK・KCto (2005)P11ysicaScripta,T115375-377.
Anion-palrcompoundbasedonW(伽/)2]~witllstrongantifelromagneticamycoupled
interaction:synthesis,crystalstructuIc,lnagneticplDpertyB
X・MRenoHirokiOkudera,JL、Xie,QJMeng(2005).〃z`772α/q/Mフルcz`ノヒzア・
SMiPwcrzJ7℃733119-124
II1ecrystalstructureofYP4,alowtemperaturemodificationofwhitephosphorus、
HirokiOkudcla,RobertDimebielBArndtSimon(2005).鹿妨cZD7坑伽 K)`ZsmJJog7cMp/ijeZZO259-264
TheA13+stabilizedphaseLi3-3xAlxBO3・
MengHe,HirokiOkudera,J・F1eig,AmdtSimon,XiaolongChenandJoachimMaier (2005)伽伽α/Q/M〃肋陀die脚jmr〕′178680-687.
(XLXNar)ZA1ZBZO7withO<jr<0.6:ApromisingnonlincaropticalCrystal、
MengHe,XiaolongC11en,HirokiOkudera,AmdtSinlon(2005).Che"jmr)′q/、
Mzに7jZzZsl72193-Z196.
La3C13BC‐Structure,bondingandelectricalconCluctivityB
Hui-ⅥZengHirolKiOkudera,ChongZheng,HanSjijrgenMattausclLReimaldK、
KremeLArndtSilnon(2005).恥jMi7坑伽MzrzJZ/?,耐c/i2"Zg60M99-504 CahtNaZ[A12B207:AstructurewitlltunabledensityofNa+vacancies・
MengHe,HilokiOkudera,AmdtSimon(2005).功o卿刀jcChe伽”4444214426.
QuantuminterfeImceofeleclronsmNb5-6T℃4smgleclystals・
AStolovits,AShcnnan,ReinllardtKKremeLHan且jijrgenMattausclLmrolKi Okudera,X-MRen,ArndtSmonandJ、ROBrien(z005).Pノ!)川,jcaノReWewB71
144519.
Structural,electromc,andvibrationalpropertiesof(4,4)picotubeclystals.
MMach6,,J・Maultzscll,HirolKiOkudera,ArndtSimon,RHerges,andCThomsen (ZOO5).Pノセ〕入,jca/ReWeWB7Z155402.
Crystalstructureofgennamumtetrabro血de,帥GeBr4,roomtemperaturemodification J1irgenKOmeLHirokiOkuderaandAmdtSilnon(2005).ZbjMi7坑伽 K7jMzノノog7qcMpフノijeWbMノCr)Mz/S17wazイア℃8220523.
Crystalstructureofgennamumtetrabromide,D-GeB皿,1owtemperaturemodification JijlgenK(jmeLHirolKiOkuderaandAmdtSimon(2005).ZbjMir坑伽
〃ism"Qg7qcZP/ijeJVbWCr)MzノsIf7Waz"1eS220524
PrimordialnOblegasesmagrapl1ite-metalmclusionfiDmtheCanyonDiablolABiron meteoriteandtheirilnplications
J・MatsudaM・Nalnba,正Maruoka,正Matsumoto,GKⅢat(2005)Meteoliticsand P1anetalySciences'40,430-444,
NOblegasesmthcFincoPmogopitc-Peridotite,WestemltalianA1ps
lMatsmnoto,正Morishita,J・MatsudamFUjiolKa,MmlKebe,KYamanloto,S、Arai。
(2005)EartllandP1anetalyScienceLetters,238,130-145
200G年
membleartofrecycling
TMatsumotoNature,(2006)441,169-170
ReinvestigationoftheMgSiO3perovskitestructmeatlligdlplessure
MSugallara,A、Ybslliasa,YKomatsu,工Yamanaka,N・BolfanPCasanova,A・
Nakatsuka9SSasakiandMmnaka(2006)AmMineraL91,533-536
Crystalstructure,electrondensityanddifnsionpathofthcfast-ionconductorecopper
iodideCuI、
MasatomoYashima,QiXu,AkiraYOshiasaandSatoslliWada(2006)Joumalof MaterialsChemistlyl6,4393-4396
回折法とXAFS法を併用した不規則構造解析 吉朝朗(ZOO6)曰本結晶学会誌48,30-35
不規則性をもつ結晶、超イオン導電体、非晶質、ガラス、融体の構造解析-不規 則系・ランダム系の結晶学
吉朝朗、杉山和正、八島正知、高田昌樹(2006)日本結晶学会誌48,2 黄燐低温相Y-P4の結晶化学.
奥寺浩樹(2006).結晶学会誌48224-229.
2007年
InSituXAFSandXRDstudiesofpressure-inducedlocalsturucturalchangiamliqUid
AgJ・ HArima,OOhtakamHattori,Ykatayama,WUtsumiandA,YOshiasa(2007)JPhys.:
CondensMatterl9076104(7pp)
EXAFSandXPSstudyofrutile-typedifluoridesoffirst-rowtransitionmetals・
'KMurai,YSuzuki,TlMorigaandA・Ybslliasa(2007)mB・Hedman,eds,“131h
memationalConferenceonX-rayAbsorptionFmeStructuleXAFS13”TheAmerican lnstitutCofPhysics,ConfProc、Vbl88ZAⅢMelville,NYmp、463-465
LocalstructureanalysisaroundKrinmineralsbyXAFS
MOkube,AYbshiasa,、Matsumoto,EItoandY;hada(2007)mBHedmanoeCIs,"13出
IntemationalConferenceonX-rayAbsorptionFineStructureXAFS13”TheAmerican lnstituteofPhysics,Conf:Proc・VbL882AIPMelville,NY;pp、296-298
PressuredependenceofanhanlomceffectivepairpotentialsmroclKsalttypeAgL
A,Ybslliasa,HFukui,HArinla,MOkube,YKatayama,KMurai,M・Sugaharaand
OOhtaka(ZOOフ)mBHedman,eds,"13thlntemationalConferenceonXPrayAbsorption
FineStructureXAFS13”T11eAmericanlnstituteofPhysics,ConfProc・Vol、882AIP Melville,NY;pp569-571
配mperaturedependenceofXANESspectrafbrAriO3,AnYO4andTiO2compounds witllstructurealpllasebransitions、
IHashimoto,AYi〕shiasa,M・sugaham,M・Okube,HOkudcraandA、Nakatsuka(ZOO7)
mB・Hednlan,eCls,“131hlnternationalConferenceonX-rayAbsoIption]FineStructure
XAFS13”TlleAmelicanlnstituteofP11ysics,ConfProc・Vbl882ATMelville,NY;pp、
428-430
XAFSstudyofAsinK-TbounClaryclay5
S・Sakai,AYbshiasa,Harima,M・Olmbe,CNumakoandTlSato(2007)mBHedman,
eds,“13mInteInationalConferenceonX-rayAbsolptionFmeStructⅢeXAFS13”TY1e
AmericanlnstituteofPhysics,ConfProc、Vbl882AⅡMelville,NY;pp274-276 Localstructureoftransitionelement(V;CIM、庇andZn)mA12SiO5polymOrohs・
YiJkiFumkawa,AkiraYOslliasa,HiroshiAmna,MakiOkube,Kei-ichiroMuraiand、
IMaoNishjyama(2007)mBHedman,eds,“131hlntemationalConferenceonX-ray
AbsoIptionFmeStructureXAFS13,,TYlcAmericanlnstituteofPhysics,ConfPmc、
VbL882AⅢMelville,NY;pp235-237
X-raysmgdecrystalstudyofasynmelricthennalvibrationsandpositionaldisordcrof
atomsmelbaite・
KuniakiKiharaaHikaruHirata,Akihikolda,HirokiOkudera,mmoakiMorishita(ZOOフ).
〃脚α/q/M7Z伽/pgjcα/α"αPe伽ノロgjcα/Scie"ceslOZ115-126.
La2XB3(X=Cl,Br):AnovellayeredstructurewithplanarboronnetsofB3,B6and B8rings
Hui-YiZeng,MarIyanaLukaclluk,mrokiOkudera,CllongZheng,HanSjijlgen MattausclLAmdtSimon(2007)ZbjMi7坑伽A"orgzz伽c〃e〃`MノZgc"e伽Cノカ伽e
c3S1359-1365.
TheefIectoftllecollectormtlleprecisemeasurementofArisotOpicratios
CMiyakawa,T、Matsumoto,J、Matsuda,(2007)JCIⅡnaloMleMassSpectrometry SocietyofJapan,55,378-380,
Pressuledependenceofelectricalconductivityof(Mg配)SiO3ilmenite
mKArSURA1,S・YOKOSm,KKAwABE,ASHArSKIY;MOKUBE,H・FuKUI,E,
Ⅱ0,ANOZAWAandK・FIJNAKOSm
P11ysicsandChemistryofMmerals,糾,249255,(2007)
ResonantX-RayMagneticScattemgStudyofBaFel2019andBaTiCoFeloO19 SeijiOhsawa,MakiOlmbe,rnkahiroAki,ShoichiSakurai,NorioShimizu,Koichi Ohkubo,HlkeslliIbyoda,nkeharuMori,andSatoshiSasaki
AmericanlnstituteofP11ysicsConferenceProceedings,879,1715-1722,(2007)
200s年
ArgonisotOperatiooftheplume-sourcededuced丘omhighresolutionstepwise crushingextraction
mMatsmoto,YOrillashi,J、Matsuda,K・Yalna[noto(2008)GeochemcalJoumal,42,
39-49,
Crystalstructureandopticalpropertiesofoxynitriderare-earthtantalatesRTa-(0,N)
:(R=NdpCLY)
S・KimKawa,T・TalKeCla,A・YOshiasa,P、MaillardandF・Tessier(z008)MatcrRcsBulL
43.811-818
Manganese doped gallium oxynitride prepared by nitridation of citrate precursor.
S.Kikkawa, S.Ohtaki, T.Takeda, A.Yoshiasa, T. Sakurai and Y. Miyamoto (2008) J.
Alloys. & Compd., 450,152-156.
Single crystal X-ray diffraction study of CaIrC>3
M Sugahara, A Yoshiasa, T Hashimoto, S Sakai, M Okube and A. Yoneda (2008) Am.
Mineral. In press.
(2)学会発表(発表標題、発表者名、学会等名等)
2005年
TmcingmetasomaticagentsbynOblegasisotopes
MatsumotoI
rTlcl5tllAmualVMGoldsclmidtConference,Moscow51daho,USA(20-25May9 2005)
REEcompositionofcirca3、4Gaseawaterdeduced丘omthatofPrecambrian carbonateintercalatedmpillows
Yama【notoK.,ItohN.,Matsumoto工,nlnakamandAdachiM・
Thel5tllAnnualVMGoldschmidtConference,MoscowbIdallo,USA(Z0-25Mayb zOO5)
地球惑星物質内の希ガス近傍局所構造解析
奥部真樹、松本拓也、吉朝朗、伊藤英司、寺田靖子 2005年度日本地球化学会年会(琉球大学、2005.9.26-28)
NOblegasmstalaglnitemclusionfluids:PrelimmaryResults 松本拓也,Damele、LPinti,DomimqueGenty
質量分析学会同位体比部会(高知大学、2005.11.9-11.11)
フィンランド、シリンヤルウイ産太古代カーポナタイトの希ガス同位体研究 工藤康晴、松本拓也、松田准一、下田玄
質量分析学会同位体比部会(高知大学、2005.11.9-11.11)
Anattempttoanalysenoblegascompositionmgalnet・
Czuppon,Gy,Kudo,Y,Matsumoto,Ⅲ,MiyakawaC,NisllimmaC,Matsuda,J、1.
質量分析学会同位体比部会(高知大学、2005.119-11.11)
Ca2NaCdZV3012の精密構造解析とパレンゾナイト系ガーネットの結晶化学 o西宮しのぶ、吉朝朗、中塚晃彦、飯石一明、奥寺浩樹、奥部真樹、佐々木聡 地球惑星合同大会、千葉幕張メッセ2005
Ca2NaCd2V3012の構造精密化と関連バナジン酸塩ガーネット
o西宮しのぶ、吉朝朗(熊本大学)・中塚晃彦、飯石一明(山口大学)、奥寺浩樹
(金沢大学)、奥部真樹、佐々木聡(東京工業大学)
結晶学会年会兵庫姫路2005
黄リン低温層YP4の構造
奥寺浩樹,RObertDinnebieLAmdtSmon.
、日本結晶学会(於姫路)2005,12.
バナジン酸塩ガーネットNaAzM2V3012(A=Ca,Pb;M=CO,Cu,M9,M、,Ni,
Zn)の占有陽イオン種に伴う構造変化
三宅祐矢,中塚晃彦,中山則昭,溝田忠人,吉朝朗,奥寺浩樋幾田擁明,
飯石一明
日本結晶学会(於姫路)2005,12.
B-MgAl系spinel、shinllalite、pseudo-sllinhaliteの不思議な陽イオン席選択'性 o吉朝朗、橋本崇史(熊本大学・理)、中塚晃彦(山口大学・工)伊藤智和(大 阪大学・院理)、杉山和正(東京大学・院理)
結晶学会年会兵庫姫路2005
CaCuAsO40HconiChalciteの結晶構造精密化と同形鉱物 酒井俊輔・吉朝朗・杉山和正・宮脇律郎
結晶学会年会兵庫姫路2005
ペロブスカイト型MgSiO3のアナログ物質SrZrl-xYbxO3プロトン伝導体の特異 奥部真樹(東工大・応セラ)、吉朝朗(熊大・理)、佐々木聡(東工大・応セラ)、 な性質
八島正知(東工大・総理工)、大内健二郎(東工大・総理工)、沼子干弥(徳大・総科)、
小藤吉郎(徳大・総科)鉱物学会年会愛媛大学2005
ペロブスカイト型MgSiO3のアナログ物質としてのNal-xKxMgdF3とKZnmの イオン伝導機構
吉朝朗(熊大・理)、坂本大介(阪大・理)、奥寺浩樹(金大・理)、中塚晃彦(山大・
鉱物学会年会愛媛大学2005 工)
ヨウ化銅の結晶構造と相転移
徐埼,八島正知,保科拓也,和田智志,吉朝朗 金属学会秋季大会2005
プロトン導電体SIZrO9YbO、103-6の局所構造の温度変化
(熊本大学・理)o吉朝朗.(東工大・応セ研)奥部真樹・八島正知・佐々木 聡。(徳島大学・総合科)沼子千弥・小藤吉郎
セラ協秋季シンポジウム大阪府立大学
シンポジウム極限環境下での凝縮系物質の原子レベル構造とマクロな挙動 酒井俊輔(本学4年)、吉朝朗、杉山和正、宮脇律郎
CaCu(AsO4)(OII)の結晶化学.
熊本大学、2006年1月
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