国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長　松永　是）海洋機能利用部門海底資源センターの野崎達生グループリーダー代理らは、国立大学法人神戸大学、学校法人千葉工業大学、国立大学法人東北大学、国立大学法人九州大学と共同で、中部沖縄トラフの海底熱水鉱床から採取された試料を詳細に分析した結果、極めて低い硫黄同位体比組成（δ³⁴S）を持つ黄鉄鉱（FeS₂）粒子を発見し、微生物活動に由来するものであることを明らかにしました。

これまで、海底熱水鉱床を構成する硫化鉱物の沈殿や酸化・溶解に数多の微生物活動が関与しているであろうことは推測されていましたが、鉱床の形成プロセスと照らし合わせてその特定が試みられたことはありませんでした。
そこで本研究では、地球深部探査船「ちきゅう」の航海で得られた掘削コアおよび熱水噴出孔のチムニー試料を対象として、詳細な顕微鏡観察や鉱物組成測定、局所硫黄同位体分析を実施しました。

掘削コア試料に含まれる黄鉄鉱粒子は、熱水活動の重複によって鉱化作用が進む（鉱床が成長する）につれて、フランボイダル、コロフォーム、自形の組織・形状を示します。
これらの黄鉄鉱粒子について、二次イオン質量分析装置（SIMS）を用いた局所硫黄同位体分析を行った結果、フランボイダル黄鉄鉱は最低で-38.9‰（パーミル：千分率）という極めて低い同位体比組成を有し、フランボイダル⇒コロフォーム⇒自形と組織・形状が変わるにつれて、高い硫黄同位体比組成に漸移することがわかりました。

このような大きな硫黄の同位体分別を起こし得るメカニズムは、硫酸還元バクテリアによる海水の硫酸還元プロセスしか知られていません。
また、低い硫黄同位体比組成を持つフランボイダル黄鉄鉱は、鉱化作用が進むにつれて海底熱水鉱床を構成する黄銅鉱（CuFeS₂）、方鉛鉱（PbS）、閃亜鉛鉱（ZnS）などの他の硫化鉱物によってしばしば置換されています。
したがって、フランボイダル黄鉄鉱は海底熱水鉱床を構成する硫化鉱物の出発物質・核として機能しており、鉄や硫黄などの材料を供給していると考えられます。
この初期出発物質であるフランボイダル黄鉄鉱は、微生物による硫酸還元プロセスを経た硫黄を材料としていることから、海底熱水鉱床の初期形成プロセスには海底下の微生物活動が重要な役割をしており、鉱床生成を誘発・促進していると考えられます。

今後、他の海域の掘削コア試料や³³S・³⁶Sも含めたマルチ硫黄同位体分析を行い、海底熱水鉱床生成と微生物活動寄与の詳細を解明していく予定です。

本成果は、米国のThe Geological Society of America（GSA）が発行する学術雑誌「Geology」に10月7日付けで掲載されました。

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沈み込んだプレートから放出される流体には二酸化炭素成分が少量含まれているため、その流体挙動への影響を評価する上で、鉱物への濡れ性の化学組成依存性を明らかにすることが課題となっていました。
本専攻の中村美千彦教授らの研究チームは、二酸化炭素と塩を含む水を主成分とした多成分超臨界流体の鉱物粒間への浸透性の研究を行い、沈み込み帯における多成分流体の輸送モデルを提案しました。
これまで、流体中に二酸化炭素が含まれると、流体は鉱物表面を濡らしにくく、鉱物粒間を浸透して移動できないと考えられていましたが、実験の結果、鉱物の炭酸塩化反応と塩分の影響で、流体が鉱物表面を濡らしやすくなることが明らかになりました。
このような流体の性質の理解は、地震波や電磁気の観測に基づいた沈み込み帯の流体分布やマグマ発生原因の解明にも役立ちます。

本研究の成果は、2020年10月5日Earth and Planetary Science Letters誌電子版に掲載されました。

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生命誕生前の地球の大気は二酸化炭素と窒素が主成分と考えられており、そのような環境で生命の材料分子が生成する条件は非常に限定的と考えられてきました。
本専攻の古川善博准教授らの研究グループは、二酸化炭素、窒素ガスを炭素源と窒素源として、太古の地球に小惑星や隕石が高速で衝突することによって、タンパク質を作るアミノ酸が生成することを明らかにしました。
この研究結果は、地球上において普遍的に存在した大気成分から生命材料が生成したことを示しています。
また、約40億年前の火星においても、同様の現象で化学進化（生命誕生までの化学反応）の初期段階であるアミノ酸の生成が起こっていた可能性を示しています。

本研究成果は2020年6月8日(月)公開の英国科学誌Scientific Reportsに掲載されました。

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西田圭佑（研究当時：東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻助教、現：バイロイト大バイエルン地球科学研究所研究員）を中心とした、東京大学・東北大学・大阪大学・東京工業大学・KEK・SPring-8/JASRI の共同研究チームは、大型放射光施設SPring-8 および放射光実験施設フォトンファクトリー（PF）を利用して、火星コアの主要構成物と考えられている液体鉄−硫黄合金の音速を、火星コアの環境に相当する20 万気圧2000 度という高圧高温の極限条件下で精密に測定することに成功しました。

従来、地球物理学的観測や火星隕石の研究から、火星には液体鉄−硫黄合金でできたコアの存在が示唆されてきました。
しかし、これまで内部探査が行われてこなかったため、火星内部の構造や化学組成に関しては未だよくわかっていません。
現在、NASA による火星内部探査機インサイトが設置した地震計による内部構造探査が進行中で、すでに火震（火星の地震）を観測しています。
火星コアを通る地震波を観測することができれば、その地震波速度を知ることができます。

そのような観測に先んじて、本研究グループは、火星コア物質とされている液体鉄−硫黄合金の音速（地震波速度）を実験室で測定することに成功しました。
川井型マルチアンビルを使った高圧実験は、日本が世界をリードする研究手法で、これまでも地球や惑星深部の多くの謎を解明してきました。これに超音波パルス法と、SPring-8 やPF の強力な放射光X線を組み合わせることで、高圧高温下における音速の精密測定が可能になります。
しかし、10 万気圧を超える高圧下では安定した高温発生が難しくなること、加圧に伴い試料体積が減少し試料からの超音波エコーが弱くなることなど技術的な課題が山積しており、この手法による液体鉄合金の音速測定は従来8 万気圧以下に限られていました。

本研究グループは、高圧実験技術と超音波測定技術の高度化を進めた結果、これまで不可能だった火星コア最上部に相当する20 万気圧という極限環境下においても、高精度で液体鉄合金の音速を測定することに成功しました。
その結果、火星コア条件（約20～40 万気圧）の大部分で、硫黄含有量によって液体鉄−硫黄合金の音速がほとんど変わらないことが明らかになりました。
これは、従来の考え通り、火星コアが液体鉄−硫黄合金の場合、その地震波速度は硫黄量に関わらず今回の測定値と一致する必要があります。

一方、火星探査で得られる火星コアの地震波速度が本測定結果と異なる場合、シリコンや酸素など別の不純物の存在を意味します。
シリコンと酸素は火星のマントルの主要元素であり、火星が微惑星の衝突によって大規模に融解した場合、両元素はコアにも取り込まれます。
近未来の火星コア探査と実験室での液体鉄−シリコン・酸素合金の音速測定の組み合わせにより、火星コア中のシリコン・酸素の存在、さらには火星がかつて巨大衝突を経験したかどうかを検証することが出来ます。

現在JAXA は、火星衛星探査計画MMX（2020 年代前半打ち上げ予定）を進めており、その目的の１つが、火星の２つの衛星フォボスとダイモスの起源の解明です。
その有力な仮説が巨大衝突起源説です（月の成因と同じ）。
このように本研究そして今後の研究の成果は、火星やその衛星の起源とも深く関わっている他、MMX ミッションとも密接な関連があります。

本研究成果は国際科学雑誌『Nature Communications』に5月13日に掲載されました。

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太陽系の惑星の中で、火星は地球の次に多くの情報が得られている天体ですが、その化学組成や内部構造は謎に包まれています。
本専攻の吉崎昂（博士課程後期2年、日本学術振興会特別研究員）と、William F. McDonough教授（兼務　東北大学ニュートリノ科学研究センター、メリーランド大カレッジパーク校）は、火星隕石や探査機のデータに基づき、火星の化学組成と内部構造のモデル化に成功しました。
このモデルによって、火星が地球に比べ揮発性元素に富み、比較的小さな金属核を持つことが明らかになりました。
今後行われる火星探査によって得られるデータと、本研究のモデルを比較することで、火星や惑星の形成・進化過程の更なる理解につながると期待されます。

本成果は、2020年1月21日に科学誌Geochimica et Cosmochimica Acraのオンライン版で公開されました。

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本専攻の博士課程学生・黄永勝（Huang Yongsheng）、中谷貴之研究員（現：産業技術総合研究所研究員）、中村美千彦教授らの研究チームは、ドイツ・バイロイト大学バヴァリアン実験地球化学・地球物理学研究所との共同研究で、沈み込んだプレート上面から島弧地殻下に至る超臨界流体の輸送に関する新しいモデルを発表しました。

日本のような沈み込み帯では、水を主成分とする超臨界流体が楔形マントルに供給され、火山活動や地震活動を引き起こしていると考えられています。
しかし、この流体の移動経路やそのメカニズムには諸説があり、未だに確立されていません。

今回、研究チームは、沈み込んだプレートから放出される流体が塩分を含むことに着目し、塩分を含む流体が楔形マントルの幅広い温度・圧力・塩濃度条件において、主要構成鉱物であるカンラン石の表面を良く濡らして粒間に浸透することを高温高圧実験によって明らかにしました。
楔形マントルの海溝近くでは、温度が相対的に低く、結晶構造内に水酸基を含む含水鉱物が安定に存在し得るため、このような流体はマントルと反応して含水鉱物として固定されます。
一方、温度の高い島弧の地下では、マントルを溶融させてマグマを発生し、流体はマグマに吸収されると考えられます。
これらの間の領域（島弧前弧下）では、流体はマントル構成する岩石の粒間を浸透し上昇できると考えられます。
このような塩分を含んだ流体の性質は、日本をはじめとする島弧前弧域のモホ面付近で見つかっている高電気伝導度帯の形成メカニズムを説明できるとともに、沈み込んだプレートからの供給量よりも、火山活動などによる放出量の方が少ないという「失われた流体」問題の解明に寄与するものです。

本研究の成果は、2019年12月5日Nature Communications誌に掲載されました。

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