2025/03/27 更新

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クワハラ ヒデハル
桑原 秀治
Kuwahara Hideharu
所属
先端研究院 地球深部ダイナミクス研究センター 助教
職名
助教
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学位

  • 博士(科学) ( 2016年6月   東京大学 )

研究分野

  • 自然科学一般 / 宇宙惑星科学  / 比較惑星学

  • 自然科学一般 / 固体地球科学  / 高圧地球科学

学歴

  • 東京大学大学院   新領域創成科学研究科   複雑理工学専攻 博士課程

    2013年4月 - 2016年6月

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  • 東京大学大学院   新領域創成科学研究科   複雑理工学専攻 修士課程

    2011年4月 - 2013年3月

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  • 横浜国立大学   工学部   第二部物質工学科

    2006年4月 - 2011年3月

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経歴

  • 愛媛大学   地球深部ダイナミクス研究センター   特任講師

    2024年3月 - 現在

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  • 愛媛大学   地球深部ダイナミクス研究センター   助教

    2021年3月 - 2024年2月

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  • 岡山大学   惑星物質研究所   特任助教

    2020年4月 - 2021年2月

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  • 愛媛大学   地球深部ダイナミクス研究センター   日本学術振興会特別研究員(PD)

    2018年4月 - 2020年3月

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  • 愛媛大学   地球深部ダイナミクス研究センター   特定研究員

    2017年4月 - 2018年3月

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  • 愛媛大学   地球深部ダイナミクス研究センター   日本学術振興会特別研究員(PD)

    2016年7月 - 2017年3月

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  • 東京大学大学院   新領域創成科学研究科   日本学術振興会特別研究員(DC2)

    2015年4月 - 2016年6月

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論文

  • Gravitational stability of iron-rich peridotite melt at Mars’ core-mantle boundary 査読

    Yoshio Kono, Chihiro Koyama, Nozomi M. Kondo, Koji Ohara, Hideharu Kuwahara, Ryoichi Nakada, Yuki Watanabe, HirohisaOda, Takehiko Ishikawa

    Communications Earth & Environment   6   148   2025年3月

  • Extensive iron–water exchange at Earth’s core–mantle boundary can explain seismic anomalies 査読

    Katsutoshi Kawano, Masayuki Nishi, Hideharu Kuwahara, Sho Kakizawa, Toru Inoue, Tadashi Kondo

    Nature Communications   15   8701   2024年10月

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  • Sound velocities in lunar mantle aggregates at simultaneous high pressures and temperatures: Implications for the presence of garnet in the deep lunar interior 査読

    Marisa C. Wood, Steeve Gréaux, Yoshio Kono, Sho Kakizawa, Yuta Ishikawa, Sayako Inoué, Hideharu Kuwahara, Yuji Higo, Noriyoshi Tsujino, Tetsuo Irifune

    Earth and Planetary Science Letters   641   118792 - 118792   2024年9月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    DOI: 10.1016/j.epsl.2024.118792

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  • Hf-W dating of zircon in mesosiderite with high-pressure sintered standard 査読

    Yuji Sano, Yuta Koyama, Naoto Takahata, Takuya Matsuzaki, Mizuho Koike, Makiko K. Haba, Shuhei Sakata, Hideharu Kuwahara, Tetsuo Irifune

    Journal of Analytical Science and Technology   15 ( 1 )   2024年4月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    New standard zircons applicable to in situ analysis of Hf/W ratio by Nanoscale secondary ion mass spectrometer (NanoSIMS) were prepared and applied to Hf-W dating of a differentiated meteorite classified as mesosiderite. The standard zircons were synthesized by high-pressure experiment from starting materials which were mixture of hafnium oxide, tungsten oxide and high-purity zircon powder. The mixed powders were stirred and pulverized by a high-energy ball mill. They were then sintered at 1000 °C and 6 GPa using multi-anvil apparatus. Homogeneity of Hf/W ratios of synthesized zircons was examined by SEM–EDS, EPMA, and Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (LA-ICPMS). Hf/W ratios of the same zircons were measured by a NanoSIMS with 2 nA oxygen primary beam and mass resolving power of 10,000. The relative sensitivity factor (RSF) of Hf/W ratio was determined by comparing zircon data measured by LA-ICPMS and NanoSIMS. Observed RSF (Hf/W) of zircon is 0.585 ± 0.180 (hereafter all error 2σ) consistent with 0.855 ± 0.468 of previous work within experimental error margin. The value is higher than observed RSF of glass matrix, 0.301 ± 0.062, and significantly higher than glass data of 0.21–0.22 in references. Based on the RSF, the Hf/W ratios of zircons extracted from mesosiderite “Asuka 882,023” were measured together with W isotopic compositions by NanoSIMS. Observed data in <sup>180</sup>Hf/<sup>186</sup>W–<sup>182</sup>W/<sup>186</sup>W diagram are fitted by a straight line, yielding a slope (<sup>182</sup>Hf/<sup>180</sup>Hf) of 8.19 ± 3.50 × 10<sup>–6</sup>. This slope is converted into an absolute zircon Hf-W age of 4536.5<sup>+4.6</sup><sub>–7.2</sub> Ma using the age anchor of CV3 chondrite. This age agrees well with a reference value of 4532.0<sup>+11.4</sup><sub>–20.8</sub> Ma.

    DOI: 10.1186/s40543-024-00438-0

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    その他リンク: https://link.springer.com/article/10.1186/s40543-024-00438-0/fulltext.html

  • Experimental investigation of first-row transition elements partitioning between olivine and silicate melt: Implications for lunar basalt formation 査読

    Jie-Jun Jing, Ben-Xun Su, Jasper Berndt, Hideharu Kuwahara, Wim van Westrenen

    Geochimica et Cosmochimica Acta   373   211 - 231   2024年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    DOI: 10.1016/j.gca.2024.03.028

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  • Partial melt composition of enstatite chondritic mantle around the rheological transition at 23 GPa: Implications for the chemical differentiation of the Earth's mantle 査読

    Hideharu Kuwahara

    Physics of the Earth and Planetary Interiors   2023年11月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.pepi.2023.107123

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  • Strong effect of liquid Fe–S on elastic wave velocity of olivine aggregate: Implication for the low velocity anomaly at the base of the lunar mantle 査読

    Yoshio Kono, Hideharu Kuwahara, Steeve Gréaux, Mark L. Rivers, Yanbin Wang, Yuji Higo, Keisuke Mitsu, Nozomi Kondo

    Earth and Planetary Science Letters   618   118287 - 118287   2023年9月

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    担当区分:責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118287

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  • Partitioning of Fe2+ and Fe3+ between bridgmanite and silicate melt: Implications for redox evolution of the Earth's mantle 査読

    Hideharu Kuwahara, Ryoichi Nakada

    Earth and Planetary Science Letters   615   118197 - 118197   2023年8月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118197

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  • Effect of grain size on amorphization mechanism and kinetics of bridgmanite in shocked meteorites 査読

    Masayuki Nishi, Si Jin, Katsutoshi Kawano, Hideharu Kuwahara, Akihiro Yamada, Shogo Kawaguchi, Yuki Mori, Tatsuhiro Sakaiya, Tadashi Kondo

    Progress in Earth and Planetary Science   10 ( 1 )   2023年7月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    Abstract

    Bridgmanite formation and amorphization in shocked meteorites constrain the pressure and temperature conditions during planetary impact. However, the effect of the bridgmanite grain size on its amorphization kinetics is still unclear. Here, the amorphization mechanism and kinetics of fine-grained polycrystalline bridgmanite were studied at high temperatures up to 1080 K. High-temperature time-resolved synchrotron X-ray diffraction measurements showed that significant volume expansion due to temperature-induced amorphization caused static stress, which then hindered amorphization progress. Further, the temperature required for the amorphization of fine-grained bridgmanite (~ 1 μm) was found to be approximately 100 K higher than that required for the amorphization of coarse-grained samples (&gt; 10 μm). We also noted that amorphization preferentially commenced at the twin planes and subgrain boundaries of bridgmanite grains, resulting in lower amorphization temperatures for the coarse-grained samples. The limited number of such specific locations in fine-grained natural bridgmanite suggested that grain boundary amorphization may be the dominant mechanism for bridgmanite amorphization in shocked meteorites. This unique amorphization kinetics would support the preservation of bridgmanite during the post-shock annealing in the shocked meteorite. Although bridgmanite amorphization starts easily at temperatures above ~ 420 K, a small amount of bridgmanite grains can survive at temperatures above 800 K by the effect of amorphization-induced stress.

    DOI: 10.1186/s40645-023-00572-0

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    その他リンク: https://link.springer.com/article/10.1186/s40645-023-00572-0/fulltext.html

  • Hadean mantle oxidation inferred from melting of peridotite under lower-mantle conditions 査読

    Hideharu Kuwahara, Ryoichi Nakada, Shintaro Kadoya, Takashi Yoshino, Tetsuo Irifune

    Nature Geoscience   16   461 - 465   2023年5月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Springer Science and Business Media LLC  

    DOI: 10.1038/s41561-023-01169-4

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    その他リンク: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01169-4

  • Low Velocity Zones in the Martian Upper Mantle Highlighted by Sound Velocity Measurements 査読

    F. Xu, N. C. Siersch, S. Gréaux, A. Rivoldini, H. Kuwahara, N. Kondo, N. Wehr, N. Menguy, Y. Kono, Y. Higo, A.‐C. Plesa, J. Badro, D. Antonangeli

    Geophysical Research Letters   48 ( 19 )   2021年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Geophysical Union (AGU)  

    The InSight mission to Mars is currently monitoring the seismic activity of the planet. Interpretation of seismological observations in terms of composition and mineralogy requires the knowledge of density and thermo-elastic properties of constituent materials at pertinent conditions. We thus performed phase equilibria experiments and carried out sound velocity and density measurements on aggregates representative of the Martian mantle over pressures and temperatures directly relevant for Mars’ upper and mid mantle. Our results indicate the stability of magnetite, although in a small amount, in phase assemblages at upper mantle conditions, especially in an oxidized environment. The measured pressure and temperature derivatives of compressional and shear velocities show that the temperature-induced reduction of seismic wave speeds dominates over pressure-induced effects at Mars' shallow mantle conditions for the predicted areotherms and, independently from mineralogy, support the presence of a low-shear-wave-velocity layer between 150 and 350 km depth, in agreement with seismic observations.

    DOI: 10.1029/2021gl093977

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  • Continuous measurement of ultrasonic elastic wave velocities, X-ray radiography and X-ray diffraction of Zr50Cu40Al10 metallic glass at high pressure and high temperature conditions 査読

    Yoshio Kono, Yuji Higo, Steeve Gréaux, Yuki Shibazaki, Rui Yamada, Hideharu Kuwahara, Nozomi Kondo

    High Pressure Research   41 ( 3 )   1 - 14   2021年6月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Informa UK Limited  

    A new experimental setup to continuously and automatically measure ultrasonic elastic wave velocities, X-ray radiography, and X-ray diffraction in large volume press is developed to explore structural change of amorphous materials at in situ high pressure and high temperature conditions. A continuous measurement for Zr50Cu40Al10 metallic glass is carried out during the heating process from 304 to 1102 K under high pressure conditions of 6.8–8.6 GPa. The sample length, elastic wave velocities, and Poisson’s ratio show marked changes at 611, 745, 825, and 874 K, which are interpreted as glass transition temperature (Tg) at 611 K, two polyamorphic structural changes at 745 and 825 K, and crystallization above 874 K, respectively. We find that the 1.2Tg temperature (733 K at ∼8 GPa), where simulations study predicted occurrence of thermal rejuvenation, corresponds to the temperature of the polyamorphic structural change (745 K) in Zr50Cu40Al10 metallic glass.

    DOI: 10.1080/08957959.2021.1941000

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  • Elasticity of nanocrystalline kyanite at high pressure and temperature from ultrasonic and synchrotron X-ray techniques 査読

    Nico A. Gaida, Steeve Gréaux, Yoshio Kono, Hiroaki Ohfuji, Hideharu Kuwahara, Norimasa Nishiyama, Oliver Beermann, Takuya Sasaki, Ken Niwa, Masashi Hasegawa

    Journal of the American Ceramic Society   104 ( 1 )   635 - 644   2021年1月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    © 2020 The American Ceramic Society (ACERS) Material properties, such as elasticity data at wide-ranging conditions of pressure and temperature, attract increasing attention for material and earth sciences. In particular, polycrystalline ceramics for next-generation photonic applications are nowadays fabricated by advanced syntheses techniques operating under elevated pressures and temperatures. Herein, the elastic properties of a synthetic transparent and reinforced aluminosilicate nanoceramic composed of triclinic kyanite with minor amounts of trigonal α-alumina crystals are investigated using in situ synchrotron X-ray diffraction and ultrasonic techniques at high-pressure (up to 11 GPa) and high-temperature (300-1500 K) conditions. This not only enables the determination of the equation of state (EoS) parameters by applying the pressure-volume-temperature (P-V-T) data to the high-temperature Birch-Murnaghan EoS but also yields the elastic moduli together with their P and T derivatives from the fit of the compressional and shear wave velocities to a finite strain EoS: KS0,300 = 186(2) GPa, K′S0,300 = 7.2(6), (∂KS0,300/∂T)P = −0.023(2) GPa K−1, G0,300 = 125(1) GPa G′0,300 = 2.3(2), (∂G0,300/∂T)P = −0.017(1) GPa K−1. On the basis of our acquired results, we propose to predict the elastic moduli of aluminosilicate ceramics by a linear function of the ratio of AlO6 octahedra and SiO4 tetrahedra within the constituting phases.

    DOI: 10.1111/jace.17464

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  • Nearly carbon-saturated magma oceans in planetary embryos during core formation 査読

    Hideharu Kuwahara, Shoichi Itoh, Akimasa Suzumura, Ryoichi Nakada, Tetsuo Irifune

    Geophysical Research Letters   2021年

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Geophysical Union (AGU)  

    DOI: 10.1029/2021gl092389

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  • Sound Velocities of Al‐Bearing Phase D up to 22 GPa and 1300 K 査読

    Chaowen Xu, Steeve Gréaux, Toru Inoue, Masamichi Noda, Wei Sun, Hideharu Kuwahara, Yuji Higo

    Geophysical Research Letters   47 ( 18 )   2020年9月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Geophysical Union (AGU)  

    Sound velocities of Al-bearing phase D were investigated up to 22 GPa and 1300 K using in situ synchrotron X-ray techniques combined with ultrasonic measurements in a multianvil apparatus. The isothermal bulk modulus of Al-bearing phase D was found to be similar to 16.7% lower than that of Mg-endmember, suggesting a strong effect of Al incorporation on the bulk modulus of phase D. Al-bearing phase D has higherP- (V-P) andS- (V-S) wave velocities compared to other mantle transition zone minerals, up to 4.3% forV(P)and up to 9.6% forV(S)compared with hydrous iron-bearing ringwoodite, which might engender reduction of velocity contrast between anhydrous mantle and hydrous slab components. The accumulation of hydrated slab components carrying Al-phase D in the uppermost lower mantle can explain some local negative shear velocity perturbations (Delta V-S) up to -1.5%, although Delta V-P(-0.5%) is expected to remain below the detection limit of seismological techniques.

    DOI: 10.1029/2020gl088877

    Web of Science

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    その他リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full-xml/10.1029/2020GL088877

  • The Effects of Carbon Concentration and Silicate Composition on the Metal‐Silicate Partitioning of Carbon in a Shallow Magma Ocean 査読

    H. Kuwahara, S. Itoh, R. Nakada, T. Irifune

    Geophysical Research Letters   46 ( 16 )   9422 - 9429   2019年8月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Geophysical Union (AGU)  

    The partitioning of carbon between the core and mantle during the formation of terrestrial planets may have controlled the distribution of carbon in terrestrial planets. However, the abundance of carbon in the Earth's mantle is higher than a prediction based on previous metal-silicate partitioning experiments of carbon at carbon-saturated conditions by more than an order of magnitude. Here, we report new metal-silicate partitioning experiments of carbon at carbon contents of 0.25–0.5 wt%. We show that the metal-silicate partition coefficient of carbon (Dmet/silC) strongly correlates with nonbridging oxygen per tetrahedral cations (nbo/t) of silicate melts at fO2 conditions where C-H species are stable. Moreover, the results suggest that Dmet/silC at carbon-undersaturated conditions may be lower than that at carbon-saturated condition. Thus, Dmet/silC at low carbon concentrations is essentially important to investigate the distribution of carbon in the Earth during the core formation.

    DOI: 10.1029/2019gl084254

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    その他リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full-xml/10.1029/2019GL084254

  • Fluorine and chlorine fractionation during magma ocean crystallization: Constraints on the origin of the non-chondritic F/Cl ratio of the Earth 査読

    Hideharu Kuwahara, Takanori Kagoshima, Ryoichi Nakada, Nobuhiro Ogawa, Asuka Yamaguchi, Yuji Sano, Tetsuo Irifune

    Earth and Planetary Science Letters   520   241 - 249   2019年8月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    Previous studies have reported that the relative abundances of volatile elements in the silicate Earth are non-chondritic. The abundance and distribution of volatile elements in terrestrial planets would have been predominantly controlled by planetary formation processes, including core-mantle separation, magma ocean crystallization, and volatility-dependent high-temperature fractionation. Thus, the current abundance patterns of volatile elements in the silicate fraction of terrestrial planets are the key to understanding the accretional history of terrestrial volatiles and the chemical differentiation of terrestrial planets. Although the origin of the non-chondritic ratios of volatile elements in terrestrial planets has been previously studied, it is still a matter of debate. In this study, we focused on the super-chondritic F/Cl ratio of the bulk silicate Earth and experimentally investigated the silicate mineral-melt partitioning of fluorine and chlorine at pressures from 18 GPa to 25 GPa. Our experimental results show that fluorine is moderately compatible with mantle minerals, whereas chlorine is highly incompatible. These results support the formation of a solid mantle with high F/Cl ratios, and a residual magma ocean and steam atmosphere with low F/Cl ratios during magma ocean crystallization. Thus, the F/Cl ratio in the residual solid parts of terrestrial planets would have become relatively enriched following escape of volatile elements from the planetary surface into outer space. This model is consistent with the collisional erosion hypothesis of primordial crusts and atmospheres, and current observations on the abundance and distribution of terrestrial fluorine and chlorine. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved.

    DOI: 10.1016/j.epsl.2019.05.041

    Web of Science

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  • Simultaneous determination of melting phase relations of mantle peridotite and mid-ocean ridge basalt at the uppermost lower mantle conditions 査読

    Hideharu Kuwahara, Ryuichi Nomura, Ryoichi Nakada, Tetsuo Irifune

    Physics of the Earth and Planetary Interiors   284   36 - 50   2018年11月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    DOI: 10.1016/j.pepi.2018.08.012

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  • High Pressure Experiments on Metal‐Silicate Partitioning of Chlorine in a Magma Ocean: Implications for Terrestrial Chlorine Depletion 査読

    Hideharu Kuwahara, Hirotada Gotou, Toru Shinmei, Nobuhiro Ogawa, Asuka Yamaguchi, Naoto Takahata, Yuji Sano, Takehiko Yagi, Seiji Sugita

    Geochemistry, Geophysics, Geosystems   18 ( 11 )   3929 - 3945   2017年11月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Geophysical Union (AGU)  

    In the bulk silicate Earth, chlorine is more depleted than other elements with similar volatilities; however, the cause of terrestrial chlorine depletion is not well understood. Two major hypotheses have been proposed to explain this depletion: Incorporation into the Earth's metallic core and escape to space. The former hypothesis can be tested by investigating the partitioning of chlorine between iron-rich metallic liquids and silicate melts. In this study, we investigated the experimental partitioning of chlorine between iron-rich metallic liquids and silicate melts at pressures from 4 to 23 GPa and temperatures from 1,650 to 2,400 degrees C using multi-anvil presses. The results demonstrate that chlorine is moderately to highly lithophile under the experimental conditions. In sulfur-free experiments, chlorine becomes slightly more siderophile as temperature increases and less siderophile as pressure increases. For sulfur-bearing experiments, no significant effects of pressure or temperature were observed. Based on these data and thermodynamic considerations, we obtained empirical laws to estimate chlorine partition coefficients between iron-rich metallic liquids and silicate melts. Under the P-T conditions that would have controlled metal-silicate equilibration during core segregation in the Earth, the calculated metal-silicate partition coefficients for chlorine are much lower than unity. This result suggests that terrestrial chlorine that may have been present in the accreting Earth was not partitioned into its core, supporting that escape to space is the more likely hypothesis. If terrestrial chlorine was lost to space, chlorine depletion may have resulted from the loss of the primordial hydrosphere during the formation of the Earth.

    DOI: 10.1002/2017gc007159

    Web of Science

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    その他リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full-xml/10.1002/2017GC007159

  • The molecular composition of impact-generated atmospheres on terrestrial planets during the post-accretion stage 査読

    Hideharu Kuwahara, Seiji Sugita

    Icarus   257   290 - 301   2015年9月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier BV  

    DOI: 10.1016/j.icarus.2015.05.007

    Web of Science

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  • The Use of Ascorbate as an Oxidation Inhibitor in Prebiotic Amino Acid Synthesis: A Cautionary Note 査読

    Hideharu Kuwahara, Midori Eto, Yukinori Kawamoto, Hironari Kurihara, Takeo Kaneko, Yumiko Obayashi, Kensei Kobayashi

    ORIGINS OF LIFE AND EVOLUTION OF BIOSPHERES   42 ( 6 )   533 - 541   2012年12月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:SPRINGER  

    It is generally thought that the terrestrial atmosphere at the time of the origin of life was CO2-rich and that organic compounds such as amino acids would not have been efficiently formed abiotically under such conditions. It has been pointed out, however, that the previously reported low yields of amino acids may have been partially due to oxidation by nitrite/nitrate during acid hydrolysis. Specifically, the yield of amino acids was found to have increased significantly (by a factor of several hundred) after acid hydrolysis with ascorbic acid as an oxidation inhibitor. However, it has not been shown that CO2 was the carbon source for the formation of the amino acids detected after acid hydrolysis with ascorbic acid. We therefore reinvestigated the prebiotic synthesis of amino acids in a CO2-rich atmosphere using an isotope labeling experiment. Herein, we report that ascorbic acid does not behave as an appropriate oxidation inhibitor, because it contributes amino acid contaminants as a consequence of its reactions with the nitrogen containing species and formic acid produced during the spark discharge experiment. Thus, amino acids are not efficiently formed from a CO2-rich atmosphere under the conditions studied.

    DOI: 10.1007/s11084-012-9296-z

    Web of Science

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  • Laboratory experiments on crater scaling-law for sedimentary rocks in the strength regime 査読

    A. Suzuki, S. Hakura, T. Hamura, M. Hattori, R. Hayama, T. Ikeda, H. Kusuno, H. Kuwahara, Y. Muto, K. Nagaki, R. Niimi, Y. Ogata, T. Okamoto, T. Sasamori, C. Sekigawa, T. Yoshihara, S. Hasegawa, K. Kurosawa, T. Kadono, A. M. Nakamura, S. Sugita, M. Arakawa

    Journal of Geophysical Research E: Planets   117 ( 8 )   2012年

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    We systematically conducted impact cratering experiments with sedimentary rocks at 0.8-7.1km/s using various projectiles with 1.1-15g/cm 3 in density. The crater diameter, depth, and volume are investigated and compared with the results for igneous rocks. Then, using the non-dimensional parameters, the normalized crater diameter D, the normalized depth d, the normalized volume V, the target strength per specific energy 3, and the target and projectile density ratio 4, the scaling laws, D = (1.43 0.25) 3-0.220.0240.110.07, d = (0.22 0.04) 3-0.250.0240.010.05, and V = (0.11 0.04) 3-0.710.0540.230.17, are obtained. The comparison with the results of igneous rocks suggests that the characteristic properties of sedimentary rocks such as the lower strength and the strong shock wave attenuation rate are actually effective for the cratering of sedimentary rocks. © 2012. American Geophysical Union. All Rights Reserved.

    DOI: 10.1029/2012JE004064

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MISC

  • 下部マントル最上部条件におけるカンラン岩と中央海嶺玄武岩の融解相関係とその部分溶融層の重力的安定性 招待 査読

    桑原 秀治, 野村龍一, 中田亮一, 入舩徹男

    高圧力の科学と技術(日本高圧力学会誌)   29 ( 2 )   75 - 85   2019年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

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  • 超高速衝突実験が明らかにした衝突蒸発現象・化学反応過程 招待 査読

    杉田精司, 桑原秀治, 黒澤耕介

    遊星人(日本惑星科学会誌)   24 ( 3 )   181 - 190   2015年9月

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    記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)   出版者・発行元:日本惑星科学会  

    超高速天体衝突で生じる蒸発現象は惑星大気形成にとって重要だが,ケイ酸塩岩の蒸発は10km/s超の高速度でないと高い効率で生じないため実験的研究が困難であった.しかし,この事情はレーザー銃の開発と2段式軽ガス銃の進歩によって大きく変化した.また,高速分光法および質量分析法の開発も衝突脱ガス気体の分子組成計測の実現に重要な役割を果たした.これらの実験手法の進歩は,理論計算とともに惑星大気の進化過程の理解に大きな進展をもたらした.本稿では,最近の研究によって確立した実験手法を紹介しながら,それらの実験が明らかにした衝突蒸気雲の描像と惑星大気進化への影響を解説する.

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 超高圧融解実験と放射光軟X線分光分析による地球マントル酸化還元度の解明

    2024年4月 - 2027年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    桑原 秀治, 中田亮一

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    配分額:18460000円 ( 直接経費:14200000円 、 間接経費:4260000円 )

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  • 地球深部の水の拡散・移動特性の解明

    2022年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(B)  基盤研究(B)

    西 真之, 桑原 秀治, 近藤 忠

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    配分額:17030000円 ( 直接経費:13100000円 、 間接経費:3930000円 )

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  • 川井型マルチアンビル装置による深部マントル研究の新展開

    2021年7月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(S)  基盤研究(S)

    芳野 極, 辻野 典秀, 桑原 秀治, 増野 いづみ, 山崎 大輔

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    配分額:193570000円 ( 直接経費:148900000円 、 間接経費:44670000円 )

    大容量川井型マルチアンビル装置(KMA)の最近の技術革新により、今まで困難であった圧力、温度での高圧実験を展開できるようになったことを背景に、KMAの特性を最大限に活かすことでマントルの未解決の諸問題に様々な角度から取り組む研究課題である。マントルの強親鉄元素の高濃度異常の原因として提唱されているレイトベニア仮説論争の検証、下部マントルに存在するとされる始原的リザーバーの起源を解明するために、超高圧下における分配実験、変形実験、熱電測定といった新しい視点の実験から制約する。これらの結果を整合的に説明できる統合的なマントル進化モデルを創出することが本研究の目的となる。
    本年度は、本研究の多角的アプローチのうち以下の3つの研究において成果を得ることができた。1)レイトベニア仮説を検証するために高圧下での溶融鉄とケイ酸塩メルト間の強親鉄元素の分配実験を圧力25GPaで行い、回収試料の分析を東京大学平田研究室のレーザーアブレーションICP-MSで行った。先行研究における川井型マルチアンビル装置での最高圧力実験である18GPaの圧力の結果と異なり、強親鉄元素はケイ酸塩メルトにより分配される結果が得られた。2)始原的リザーバーの存在がBEAMSモデルで説明できるかを検証するための試験的に低歪量の高圧変形実験を行った。ブリッジマナイトとポストスピネルを直列に接した一軸圧縮実験を行ったところ、両者に違いは見られなかった。また、ブリッジマナイト単相の構成則を決定し、ブリッジマナイトがマントル主要鉱物で最も硬いことを明らかにした。3)下部マントルと核の間の熱交換を制約するため、パルス加熱法による熱伝導度測定でブリッジマナイトの熱伝導度の組成依存性を決定したところ、今までの研究に比較して、AlやFeといった主要な不純物は大きく熱伝導度を下げることが確認された。

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  • 鉱物-マグマ間の2価鉄および3価鉄分配の決定とマントル酸化還元度進化モデルの構築

    2021年7月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)  挑戦的研究(萌芽)

    桑原 秀治, 中田 亮一, 門屋 辰太郎

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    配分額:6500000円 ( 直接経費:5000000円 、 間接経費:1500000円 )

    本研究は地球上部マントルおよび下部マントルの酸化鉄の価数分布に制約を加えることを目的としている。本年度はマントル形成前段階の金属核形成期におけるマグマオーシャン中の酸化鉄の価数に関する実験的制約を行った。具体的には圧力16~28 GPaの条件において、金属鉄共存下における橄欖岩、玄武岩組成マグマの2価鉄の不均化反応を制約した。その結果、圧力20GPa付近において2価鉄の不均化反応が急激に起こり始め、28GPaでは最大約40mol%のFe3+が金属鉄共存下においても2価鉄の不均化反応によって生成することが明らかとなった。この値は地球上部マントルの値に比べ、一桁程度高く、金属鉄がマグマオーシャンから効率よく除去された場合、非常に酸化的なマグマオーシャンが形成されたことを示唆する。
    また、マグマオーシャン固化過程における鉱物-マグマ間の2価鉄と3価鉄の分配を調べる前段階として、予備的な実験を行った。具体的には地球の主要材料物質と考えられているエンスタタイトコンドライトを基にしたマントル(Javoy et al., 2010)に関する融解相関係を下部マントル圧力条件(23~27GPa)において実験的に制約し、部分溶融温度条件およびリキダス相を明らかにした。その結果、当該圧力条件においてフェロペリクレースがリキダス相である橄欖岩に対し、エンスタタイトコンドライト的な物質から成るマグマオーシャンではブリッジマナイトがリキダス相となることが明らかとなった。

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  • 核-マントル間の炭素同位体分別係数の決定:地球内部炭素循環の解明に向けて

    2020年4月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(B)  基盤研究(B)

    桑原 秀治, M Satish‐Kumar, 土屋 卓久, 出倉 春彦, 伊藤 正一

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    配分額:17680000円 ( 直接経費:13600000円 、 間接経費:4080000円 )

    本年度は前年度で行った圧力2GPa、温度1650℃の条件における金属鉄-ケイ酸塩液相間の炭素同位体分別実験の回収試料分析(エネルギー分散型X線分光器による主成分分析、ラマン分光測定によるケイ酸塩中の炭素分子種の同定、二次イオン質量分析による炭素同位体比測定)を行った。主成分元素について、一部試料中の金属鉄と外側に配置した白金カプセルとの反応が見られた。ラマン分光測定ではケイ酸塩中の炭素濃度が低く、分子種の同定ができない試料も一部あったが、CH結合や元素状Cに由来するピーク(1300cm-1と2900cm-1付近)を確認した。この結果は先行研究とも調和的である。また、二次イオン質量分析によって金属鉄-ケイ酸塩液相間の炭素同位体分別係数(Δ13Cmetal-silicate)について、ケイ酸塩側が非常に軽い炭素に富む約+800~1400‰という値が得られた。一部の試料については同位体比の分布が非常に不均質であったため、測定対象からは除外した。本年度得られたΔ13Cmetal-silicate値は先行研究における液体鉄-グラファイトもしくはダイヤモンドの値(-2~-4‰)と比較して異常に高い結果であった。
    第一原理計算による研究では、本年度はCO2分子の交換反応を仮定した金属鉄-ケイ酸塩液相間の炭素分配係数を圧力135GPa、温度5000Kの条件で調べた。その結果、ケイ酸塩中の酸化鉄が増加するとともに炭素の親鉄性が増し、金属鉄中の酸素量が増加するとともに炭素の親鉄性が減少することが明らかとなった。第一原理計算から得られた金属鉄-ケイ酸塩液相間の炭素分配係数は最近のダイヤモンドアンビルセルを用いた実験の外挿値と調和的な値であった。

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  • 高圧X線トモグラフィーを活用した高圧下のマグマ研究の推進

    2019年10月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))  国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

    河野 義生, 桑原 秀治, 近藤 望

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    配分額:17550000円 ( 直接経費:13500000円 、 間接経費:4050000円 )

    本研究では、(1)高圧下におけるメルト・ガラスの密度変化と圧縮曲線、(2)高圧下における岩石中のメルトの3次元分布構造の変化とそれに伴う弾性波速度変化、を研究することを目的とし、アメリカの放射光X線施設APSのビームライン13BMDの責任研究者Yanbin Wang博士と、高圧下におけるX線トモグラフィー測定についての国際共同研究を推進している。
    2019年10月に交付内定を受けた後、2019年度は主にAPSの13BMDにおける実験のための準備を行った。パリ-エジンバラセルを用いた高圧X線トモグラフィー測定のための実験準備に加えて、APSの2020-1期(2020年2-4月)におけるビームタイムの申請を行い、13BMDにおける実験のためのビームタイムが採択された。それにより、2020年3月27日からアメリカ・シカゴ郊外に位置するAPSを訪問し、Yanbin Wang博士と13BMDにおいて高圧X線トモグラフィー実験についての共同研究を行うことを計画していた。しかしながら、新型コロナウィルスの影響により3月27日からの渡米が不可能となり、そのビームタイムスケジュールは延期となった。一方、採択されたビームタイムは有効であり、2020年10-12月におけるAPS訪問をYanbin Wang博士と現在計画している。
    一方、目的(2)のために、日本の放射光X施設SPring-8において、Fe-Sメルトを含むかんらん岩の弾性波速度測定を行った。その結果、Fe-Sメルトの影響によるかんらん岩の弾性波速度低下を測定することに成功した。この実験後の回収試料について、2020年10-12月に予定しているAPS訪問時にX線トモグラフィー測定を行い、試料中のメルトの分布構造の分析を行う予定である。そして、岩石中のメルトの分布構造と弾性波速度低下の関係を議論することを考えている。

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  • 放射光X線高圧下その場観測と局所微量分析による核-マントル間の軽元素分配の決定

    2018年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  特別研究員奨励費(PD)  特別研究員奨励費

    桑原 秀治

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    本年度は昨年度行った圧力4-12GPaの範囲における金属鉄-ケイ酸塩液相間の炭素分配実験に関する結果を論文にまとめ、アメリカ地球物理学会刊行の学術誌であるGeophysical Research Lettersに投稿し、掲載された。また、昨年度の実験で使用した窒化ホウ素が試料と実験中に反応してしまう点を改善すべく、カプセル材の選定を行い、SiO2ガラスカプセルを使用することにした。実験は圧力2GPa、温度1650℃に固定し、グラファイトカプセルとSiO2カプセルを用い、鉄-ケイ酸塩液相間の炭素分配に試料中の炭素濃度が与える影響を調べた。また、実験回収試料中の炭素の分子種やケイ酸塩の構造に制約を加えるため、新たにラマン分光分析を行った。実験回収試料の炭素の定量には昨年度と同じく金属鉄は電子線プローブマイクロアナライザを用いて、ケイ酸塩中の炭素は二次イオン質量分析装置をそれぞれ用いた。その結果、グラファイトカプセルを用いた炭素が飽和した系で行った実験で得られた金属鉄-ケイ酸塩間の炭素の分配係数はSiO2カプセルを用いた炭素不飽和な系よりも数倍ことがわかり、窒化ホウ素カプセルを使用した昨年度の実験結果が正しいことを再度確認した。また、ラマン分光分析の結果、金属鉄と共存下にあるケイ酸塩では炭素は主にCH結合種とアモルファス炭素として存在することが明らかとなった。さらに、ケイ酸塩ガラスの構造解析からケイ酸塩に分配される炭素の量と非架橋構造酸素原子の割合との間に正の相関が見られ、核-マントル分化時においてマグマオーシャンの化学組成がマントルに分配される炭素量を制御するうえで本質的に重要であることが示唆された。この結果は現在論文にまとめ、国際学術誌に投稿準備中である。

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  • 放射光X線高圧下その場観測と局所微量分析による鉄-ケイ酸塩間の水素分配の決定

    2018年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究  若手研究

    桑原 秀治

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    配分額:2990000円 ( 直接経費:2300000円 、 間接経費:690000円 )

    本課題では地球型惑星分化過程における核-マントル間の水素分配に実験的な制約を加えることを目的としている。本年度では前年度からの方針転換により、引き続き急冷実験により金属鉄―ケイ酸塩液相間の水素分配係数を推定することを試みた。高圧実験では前年度用いた窒化ホウ素が鉄、ケイ酸塩両方と実験中に反応してしまうことから、代わりにSiO2ガラスカプセルを用いた。出発試料には高純度鉄およびエンスタタイトコンドライト、または中央海嶺玄武岩組成の酸化物混合試料に水素源としてMg(OH)2をH2O換算で0.25または0.5 質量%になるよう加えた。出発試料を入れたSiO2カプセルの周りを白金カプセルで封入した。高圧実験は2GPaおよび1923Kの条件で行った。回収試料中の水素量は前年度で確立した分析前処理手順によりアセトンで除去可能な樹脂に埋め試料研磨した後、試料をアセトンから剥がし、インジウムに固定した。回収試料の水素は京都大学理学研究科に設置されている二次イオン質量分析装置を用いて定量を行った。回収試料急冷ケイ酸塩ガラスの水素量はH2O換算で0.25質量%加えた試料では0.13~0.24質量%、0.5質量%加えた試料では0.53質量%であり、いずれも出発試料に加えた水素量と同程度であった。2GPaは固体鉄の水素化圧力付近の条件ではあるがこの条件では液体鉄ではなく、ケイ酸塩メルトに水素が分配されうることが示唆された。急冷実験では液体鉄に分配された水素量を推定することができない点が不利ではあるが、今後はより結果を精査するため、金属鉄を含まない試料と比較実験を行い、急冷ケイ酸塩ガラス中の水素量の比較から金属鉄-ケイ酸塩液相間の水素分配係数の推定を行っていく必要があると考えている。

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  • 核-マントル境界における金属鉄-ケイ酸塩メルト間の塩素分配に関する実験的研究

    2015年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  特別研究員奨励費(DC2) 

    桑原 秀治

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

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担当経験のある科目(授業)

  • 先端研究入門A

    2024年4月 - 現在 機関名:愛媛大学

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  • 基礎地学実験

    2023年7月 - 現在 機関名:愛媛大学

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  • 地球物理学実験

    2021年10月 - 現在 機関名:愛媛大学

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  • 地球科学実験

    2021年4月 - 現在 機関名:愛媛大学

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