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東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻
准教授 船守展正
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（报道に関すること）
東京大学 大学院理学系研究科?理学部 広報室
特任専門職員 武田加奈子、准教授?広報室副室長 横山広美
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平成２７年２月１２日
国立大学法人 东京大学
国立大学法人 広岛大学
国立研究开発法人物质?材料研究机构
国立大学法人 爱媛大学
国立研究开発法人理化学研究所
国立大学法人 东京大学 大学院 理学系研究科?理学部
地球深部の岩石中に中性水素原子が存在する可能性
- 地球内部の水素循環研究に新たな一石 -
発表者
船守展正 東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻 准教授
発表のポイント
- 従来の定説では、地球の深部マントルにおいて、水素は水酸基（＝水）として存在するとされてきた。
- 石英の高圧相鉱物であるスティショフ石中で、プロトンの同位体として振る舞うミュオンが电子1个を束缚してミュオニウムとなることを発见し、水素が中性原子状态で存在する可能性を示した。
- 本成果は、地球内部の水素循环研究の新展开への契机となるものと期待される。
発表概要
东京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻の船守展正准教授らの研究グループは、物质构造科学研究所等の高圧地球科学およびミュオン物性科学の研究グループと共同で、ミュオン?スピン回転法（注1）を用いて、石英の高圧相鉱物であるスティショフ石に注入されたミュオン（?+、ミュー粒子）の状态を调べ、それが电子1个を束缚したミュオニウムとして格子间位置に存在することを発见しました。ミュオンはプロトン（贬+、阳子）の軽い放射性同位体として物质中のプロトンの状态を模拟する粒子であり、ミュオニウムは中性水素原子（贬0）に相当することから、スティショフ石中の格子间位置に原子状态の中性水素が存在する可能性が示唆されます。これは、岩石を构成するケイ酸塩鉱物中で、水素は水酸基（＝水）として存在するとされてきた定説に一石を投じるものであり、地球深部の水素循环のメカニズム解明に向けて新たな可能性を开くものと期待されます。
なお、本成果は、东京大学大学院理学系研究科と物质构造科学研究所に加え、広岛大学、物质?材料研究机构、爱媛大学、理化学研究所の共同研究チームによるものです。
発表内容
背景
水素は太阳系において最も豊富に存在する元素です。これと酸素が化合した水は生物界を支える基本的な构成要素であり、地球表面の约70%を占めています。これに加えて相当量の水が地球内部に隠れた形で存在する可能性が指摘されています（図1）。これまでは、岩石を构成するケイ酸塩鉱物中で、例えば、マグネシウムイオン（惭驳2+）と酸素イオン（翱2—）が同时にプロトン（贬+）と水酸基（翱贬—）に置き换わることで水がマントルに取り込まれると考えられてきました。
本研究では、水素が水酸基（＝水）としてではなく、原子状态の中性水素（贬0）として岩石中に存在する可能性を、ミュオン?スピン回転（?厂搁）法（注1）を用いて探索しました。
研究内容と成果
本研究で対象としたスティショフ石は、ケイ素と酸素による八面体が规则的に并んだ骨格（ルチル构造）で构成されており（図2）、10万気圧以上の高圧力下で安定に存在する鉱物です。1気圧で安定な石英は、四面体の骨格で构成されており（図2）、ミュオン?スピン回転法などにより、骨格间の大きな隙间に中性水素を取り込むことが知られていました。
今回、高圧地球科学とミュオン物性科学の研究者の全面的な协力により、初めて、八面体の骨格を持つケイ酸塩鉱物の代表格であるスティショフ石にミュオン?スピン回転法が适用されました。その结果は、スティショフ石中で、水素は、酸素と结合した水酸基として存在することよりも、小さく异方的な空隙に中性原子として存在することを好むことを示唆するものでした。スティショフ石に注入されたミュオンの多くは电子1个を束缚したミュオニウムとして空隙中に存在しています（図3）。この発见は、地球の深部マントルに、これまでの研究で想定外であった中性水素が存在する可能性を示唆するものです。
今后の展开
地球の深部マントルに、これまで想定外であった中性水素の存在する可能性が明らかになったことで、地球の进化やダイナミクスにおいて极めて重要とされる地球内部の水素（および水）の循环に新たな一石が投じられたことになります。今后、地球深部における水素の存在形态に関して、ミュオン?スピン回転法による更なる研究を含め、実験と理论の両面から、ますます多様な研究が行われるようになると期待されます。
発表雑誌
雑誌名： Scientific Reports 5, 8437 (2015)
论文タイトル： Muonium in Stishovite: Implications for the Possible Existence of Neutral Atomic Hydrogen in the Earth’s Deep Mantle
着者： Nobumasa Funamori*, Kenji M. Kojima, Daisuke Wakabayashi, Tomoko Sato, Takashi Taniguchi, Norimasa Nishiyama, Tetsuo Irifune, Dai Tomono, Teiichiro Matsuzaki, Masanori Miyazaki, Masatoshi Hiraishi, Akihiro Koda & Ryosuke Kadono
船守展正1、小嶋健児2、若林大佑1、佐藤友子3、谷口尚4、西山宣正5、入舩彻男5、友野大6、松崎禎市郎6、宫崎正范2、平石雅俊2、幸田章宏2、门野良典2
1东京大学、2物质构造科学研究所、3広岛大学、4物质?材料研究机构、5爱媛大学、6理化学研究所
顿翱滨番号：10.1038/蝉谤别辫08437
注意事项
日本时间2月13日（金）午后7时（イギリス时间：13日（金）午前10时）以前の公表は禁じられています。
问い合わせ先
用语解説
（注1）ミュオン?スピン回転（?厂搁）法は、物质を构成する原子の隙间に注入したミュオン（ミュー粒子）を超高感度の磁気プローブとして用いることで电子の状态を観测する実験手法。物质中の内部磁场の强さをミクロなスケールで直接测定できること、ミュオン自身が化学的に水素と同じように振る舞うこと、などが特徴である。注入?停止したミュオンから0.5ナノメートル程度の范囲の局所的な情报が得られる。放射光齿线や中性子などを利用した実験で得られる物质中の长距离にわたる情报とは相补的な関係にある。
添付资料
図1：地球内部の断面図。上部マントル（および迁移层）と下部マントルは、岩石を构成するケイ酸塩鉱物中のケイ素の配位数の违い（4配位?6配位）で特徴づけられる。ケイ酸塩鉱物中に、水素は水酸基（＝水）として取り込まれているとするのが定説であったが、本研究の结果は、中性水素として存在する可能性を示唆するものである。
図2：石英とスティショフ石の结晶构造。石英がケイ素と酸素の四面体（厂颈翱4）から构成されるのに対し、スティショフ石は八面体（厂颈翱6）から构成される。それぞれ、ケイ素は4配位と6配位であり、図1の上部マントルと下部マントルにおけるケイ酸塩に特徴的な构造である。今回、石英だけでなく、スティショフ石の小さく异方的な空隙（白色部分）に、ミュオニウムが存在することが明らかになった。
図3：スティショフ石中のミュオン?スピン回転の信号。高周波数の振动がミュオニウムの存在を示している。
