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鉱物に耳をあてがう,地球と宇宙が聞こえる

図1
図1:様々な晶相の黄鉄鉱.形成条件を反映していると考えられる.

鉱物は岩石の構成単位であるとともに、自然界における無機物の階層の中で、物性が発露する最小構成単位です。そのため、地球惑星物質科学を研究する上での最も基本となる研究対象です。原子レベルの視点から鉱物の特性を調べること、そして地球や宇宙において鉱物がどのような条件で形成され、その後どのような履歴を経てきたか、その歴史を明らかにするのが“鉱物学”です。

地球や惑星、原始惑星系円盤の進化において、気相や液相からの結晶成長は、天体の化学的分化や物理的性質を決定する最も重要な過程の1つです。鉱物が成長する時には、内部に木の年輪のような組織(累帯構造と呼ばれる)を残したり、特徴的な結晶の「形」をとることがあります。

多くの鉱物は形成した後の環境変化にともない、新しい条件に適応するため、複雑な微細組織を示すようになります。例えば、かんらん石内の転位構造はマントル対流の痕跡であり、輝石の分相構造(離溶組織)は火成作用の熱履歴を示します。また、鉱物の中には、温度・圧力に応じて、その結晶構造が変化(相変態)するものもあります。黒鉛が超高圧下でダイヤモンドに変化するのもその一例です。従って、鉱物の化学組成、結晶構造、外形、微細組織などは、鉱物が形成した場の条件やその後の環境変化を反映しています。

このような情報は、後からの変成過程で上書きされて消えてしまうこともありますが、適切な試料を選ぶことで、直接測定することができない,重要な情報を得られる可能性があります。たとえば、地球の深部であったり、46億年前の太陽系ができたころ、あるいはもっと昔の太陽系外の環境など、理論や観測では調べることのできない情報をもっている鉱物が存在しています。わたしたちは、鉱物を地球や太陽系の“レコーダー”と考えています。我々の研究とは様々な方法を使って、鉱物に残された履歴を読み解くことそのものです。

鉱物学講座の研究

鉱物学講座では、地球の鉱物をはじめとして、宇宙から飛来した隕石・宇宙塵、「はやぶさ」などの探査機が持ち帰った宇宙物質を研究対象としています。かつては天文学の分野であった太陽系外の宇宙に観測される固体物質も重要な研究対象です。

鉱物学にとって、鉱物そのものを様々な方法で観察・分析して、その特徴を捉えることはもっとも重要です。そのため、わたしたちの研究室では、地球惑星科学分野では他に類をみないほどの多くの最先端分析装置を有しており(研究装置を参照)、研究室内において様々な手法を組み合わせた微小観察と分析が可能です。

しかしそれだけでは、鉱物の形成や変成履歴を読み解くことはできません。どのような条件で、またどのような速さで、鉱物が形成し、相変化し、化学反応していくかを知っている必要があります。そのために、保有する電気炉や真空加熱炉をつかって高温の地球内部や真空・高温の恒星の周りにおける鉱物の形成環境を再現して、その生成や変成実験をおこなっています。また、学外との共同研究を積極的におこない、SPring-8での放射光を使ったはやぶさ粒子のCT撮影や、宇宙風化を模擬したイオン照射実験、また主要な造岩鉱物の相平衡実験などをおこなっています。

わたしたちが鉱物を通じてどのようなことを知ろうとしているのか、以下にいくつかの研究事例を紹介します。より詳細には、研究業績をご覧ください。

鉱物の成長・相変態・分相
鉱物学のフロンティア
太陽系の起源物質探究と始原物質の分化

1. 鉱物の成長・相変態・分相

輝石の相変化

輝石は主要な造岩鉱物の1つであるとともに、隕石中や若い恒星のまわりなど宇宙にも広く存在することが知られています。輝石は、幅広い化学組成範囲を持ち、温度や圧力の変化により、特徴的な相変化を示します。輝石の相平衡図を正確に作製することで、こうした相変化を理解するだけでなく、地球や宇宙の様々な環境における輝石の形成過程に迫ることが可能になります。本研究室では、高温その場分析実験やコンピュータシミュレーションを用いて、輝石の相関係を明らかにし、相平衡図を作製してきました。また、相変化がどのような条件(温度、圧力、冷却速度、粒径、など)に影響を受けるのかについても実験的な研究を行っています。

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図2: 透過型電子顕微鏡を用いて撮影した火山岩中のピジョン輝石の微細組織。黒い帯と白い帯とでは化学成分(特にCaの量)に顕著な違いがみられる。黒い帯が観察されない領域では、無数の微小ドメインが複雑に重なり合ったパターンを示す。このような鉱物中の微細組織を解析することによって、鉱物やそれを含む岩石が受けてきた熱履歴の手がかりをつかむことができる。

鉱物の挙動に関するシミュレーション研究

鉱物学における20世紀最大の研究成果は、鉱物の原子配列を明らかにしたことです。その後、原子間の相互作用から鉱物中の原子配列を計算機シミュレーションによって再現する研究がおこなわれています。本研究室では、計算機を用いて、鉱物の結晶構造中における原子や分子の運動や配置を計算して、その構造の安定性および熱力学的性質などを検証する研究をおこなっています。特に、相変態に伴う構造変化に重点をおいています。また、シミュレーションに必要となる原子・分子間の相互作用パラメーターの精密決定もおこなっています。

図3
図3:ペリクレース(MgO)のフレンケル欠陥と発生と移動、消滅までの分子動力学シミュレーション

2. 鉱物学のフロンティア

図5
図9:新鉱物「箕面石」

鉱物は一般に、構成する原子の種類と比(化学組成)がある程度定まっており、さらにそれらが規則的に配列(結晶構造)しています。すなわち、化学組成と結晶構造によって鉱物の“種”が特定されます。2015年9月現在で5000種あまりの鉱物種が知られています。「鉱物ってそんなに種類があるの?」と言われる方が多いですが、地球上には870万種以上の生物が存在すると言われていることに比べると、高々5000種に過ぎません。いまでも、毎年年間で数十種の新種の鉱物(新鉱物といいます)が発見されつづけ、とくにここ数年は年間100種以上の新鉱物が報告されいるなど、新鉱物発見のペースが早まってきています。ただし、日本においては、いままでに知られている鉱物種は1500種に足りず、国内からの新鉱物の報告も例年数種ずつに留まっているため、世界の鉱物種数との差は広がる傾向にあります。

こうした多種にわたる鉱物を記載することは鉱物学の原点とも言えます。我々の鉱物学講座でも、鉱物の記載を重視しています。マクロな記載抜きでいきなり微視的な観察・分析から始めると、まさに「木を見て森を見ず」の状態に陥りかねません。また、天然鉱物の記載なしでは、室内実験をするにしても何を合成・再現すればいいかの糸口がつかめません。その意味で、我々の目指す鉱物科学では、まずは丁寧な記載から始まると考えています。その天然鉱物の記載を行っている過程で、“新鉱物”に出会えたとしたら、それを目的としているわけでなかったとしても、やはり楽しいものです。何と言っても世界で初めて自分が見つけたものですから!皆さんにも運が良ければその楽しみも味わっていただければと思います。

当研究室では、最近の数年間で20種以上の日本新産鉱物(すなわち、日本初!)を報告しており、5種類の新鉱物(箕面石・足立電気石・今吉石・三崎石・伊予石)を世に送り出すことに寄与しています。

鉱物のナノレベル観察・分析手法の開発

近年の観察・分析装置の発達により、以前には観察・分析が困難だった火成岩、変成岩、隕石中にサブマイクロメートルスケール、さらにはナノメートルスケールの鉱物が注目されています。こうしたナノメートルスケールでの鉱物の化学組成や相の決定、組織観察において電子顕微鏡(特に透過型電子顕微鏡)は不可欠な装置です。我々の研究室では、電子顕微鏡分野で注目されている解析・分析方法を鉱物分野にいち早く取り入れ改良することにより、鉱物のナノメートルレベルでの観察・分析を行っています。さらに、鉱物・岩石などの3次元情報をマイクロメートルスケールからナノメートルまでシームレスにを得るための手法開発、とくに集束イオンビーム装置による試料製作法の開発や透過型電子顕微鏡ステージの開発などにも取り組んでいます。

図10
図10:フォルステライト(Mg2SiO4)の電子顕微鏡像(左)一番明るく見える点がSiとOがカラム状に並んでおり、次に明るい点にはMgが並んでいる(HAADF-STEM像)。(右)HAADF-STEM像とは逆のコントラストで、一番暗く見える点がSiとOがカラム状に並んでおり、次にくらい点にはMgが並んでいる。さらに酸素のカラムも見えている(ABF-STEM像)。

地球惑星物質の3次元構造分析手法の開発

通常、物質の内部構造を研究するときは、試料を切断し、2次元的断面を光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いて観察します。内部構造を知るためには3次元構造が重要ですが、2次元断面から3次元構造を推定することは困難です。また、断面観察は破壊分析であるため、微小試料の場合、試料の大半は失われてしまいます。わたしたちが取り組んでいるマイクロCT撮影は、非破壊で3次元的な情報を直接得ることができる方法です。さらに内部構造だけでなく、サンプルの定量的な3次元外形も形の科学として重要です。最近の3次元構造の取得・解析手法の発展により、材料科学や生命科学の分野では3次元的な研究がスタンダードとなりつつあります。

図11
図11:マイクロX線CTの論文数の年変化

鉱物学講座は、このような研究の流れの中で、SPring-8や産総研の研究者との共同研究により、放射光マイクロX線CT装置開発とこれを用いた地球惑星物質の3次元構造研究を進めてきました。これまでの研究で、SPring-8においてX線結像光学系を用いて約100nmの空間分解能で3次元構造を得ることができるようになりました。さらに、2つのエネルギーを用いて試料内の3次元鉱物分布を得る手法を開発しました。これらの手法を使って、「彗星探査機スターダスト」や「はやぶさ」が持ち帰った試料の分析をおこなってきました。また最近は、2020年以降に帰還する「はやぶさ2」や「オシリスレックス探査機」のリターンサンプル分析に向けて、有機物や水を含む物質の3次元構造分析をおこなうための手法開発もおこなっています。

図12
図12:イトカワ粒子の3次元構造

彗星塵には1μm以下の非常に小さなものが多くあります。このような微小試料の3次元構造は、X線よりも波長の短い電子線で調べることができます。鉱物講座では、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた電子線CTの研究を開始しました。これにより、彗星塵の3次元構造を世界で初めて得ることに成功しました。また、収束イオンビーム(FIB)によるシリアルセクショニングやアトムプローブを用いた、破壊法による3次元構造分析も進めています。

図13
図13:微細サンプルのための3次元構造分析手法における試料サイズと空間分解能(FIB: 集束イオンビーム、SEM: 走査型電子顕微鏡、TEM: 透過型電子顕微鏡)

3. 太陽系の起源物質探究と始原物質の分化

宇宙鉱物学・惑星物質科学

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図4:太陽系形成以前に、進化末期の巨星で気体から凝縮したプレソーラー(太陽系前駆)Al2O3粒子 [Takigawa et al. 2014, GCA, 124, 309]。

近年の赤外線を用いた天文観測によって、地球に存在するのと同じような鉱物(かんらん石や輝石など)が、太陽系外や銀河系外の宇宙空間にも一般的に存在することが明らかにされてきました。このような鉱物は非常に微細な粒子であることから宇宙塵やダストと呼ばれています。手にとることのできない宇宙の鉱物を対象にした研究は、天文学と鉱物学の両方の知見が必要とされるため、宇宙鉱物学(Astromineralogy)と呼ばれる新しい分野が開拓されています。

ダストは若い星や赤色巨星、超新星爆発など進化末期星の星周で形成され、星間空間に放出され、やがて水素を主体とするガスとともに星形成の原材料となります。すなわち、現在、若い恒星や進化末期の恒星の周りに存在するダストの形成過程を調べることは、太陽系の固体原材料物質のでき方を調べることでもあります。

一方、わたしたちが手にすることのできる隕石や彗星塵は、太陽系が“原始惑星系円盤”というガス円盤だったころに形成した小天体の破片です。隕石や彗星塵の中には、初期太陽系ガス円盤で気相から凝縮した鉱物が含まれます。また、隕石中にはまれに、太陽系が誕生するより前に進化末期の恒星で凝縮した鉱物の生き残りである、プレソーラー(太陽系前駆)粒子が存在します。

鉱物学講座では、観測されたダストの赤外スペクトルの解析と、隕石や彗星塵やプレソーラー粒子の分析をおこなって、星周・星間ダストの性質を調べています。そして、それらの特徴を決定した物理化学過程を、様々な実験を通して研究しています。特に、*1恒星周囲における固体の気相からの凝縮・蒸発、*2星間空間や惑星空間での粒子線照射による鉱物の宇宙風化、*3太陽系小惑星での鉱物の水質変成 の3つの過程に着目して実験をおこなっています。

恒星に比べるとその周りに存在する鉱物粒子であるダストは非常に小さなものですが、原始惑星系円盤や恒星大気の物理化学的性質や質量放出過程を左右する、恒星の進化にとっても非常に重要な存在です。そして、宇宙塵や隕石物質は、理論的予測が困難な、定量的な情報を含んでいます。ダストの鉱物学的見地からの研究は、まだ発展途上であり、さらなる研究成果が期待されています。

*1熱プラズマ中での固体微粒子凝縮実験、真空加熱炉での星周条件下での鉱物成長実験
*2イオン注入装置を用いた結晶の構造変化実験
*3非晶質ケイ酸塩の水質変成実験

宇宙探査機計画における物質科学的研究

宇宙探査機により天体から試料を採取して地球に持ち帰る計画をサンプルリターン計画と呼びます。リターンサンプルは、どの天体のどの領域から採取されたかが分かっていて、地球上での汚染(大気・有機物など)がないため、隕石や宇宙塵からは得られない貴重な情報を持っています。

これまでに、アメリカのアポロ計画、旧ソ連のルナ計画により1969年から1970年代にかけて月の試料が、NASAのスターダスト計画により2006年にWild-2彗星の試料が持ち帰られました。また、日本のはやぶさ計画により小惑星イトカワのサンプルが2010年に持ち帰られました。これらのサンプルを分析することにより、月におけるマグマオーシャンや宇宙風化、初期太陽系における中心部から彗星が形成された外縁部への大規模物質移動、隕石の小惑星起源や小惑星における宇宙風化が明らかにされました。

図5
図5:(左)かぐやによって撮影された月の表面(Courtesy of JAXA)、(中央)彗星探査機スターダストが試料を持ち帰ったWild-2彗星(Courtesy of NASA)、(右)はやぶさ探査機が試料を持ち帰ったイトカワ (Courtesy of JAXA)

わたしたちは、「はやぶさ」や「スターダスト計画」により持ち帰られた試料の分析を初期分析の段階からおこないました。一連の分析フローの最初に、放射光マイクロX線CT(コンピュータトモグラフィー)を用いて、微小粒子の3次元構造や内部に存在する物質を非破壊で決定しました。このような分析手法は世界で初めてのものです。さらに、得られた結果を使い、多くの研究者と共同してその後の破壊分析などの研究に発展させました。また、月表面の粒子などの分析もおこない、大気のない天体表面での現象の統一的な理解をめざしています。

図6
図6:スターダスト計画で持ち帰られたサンプル。(左)高速(30 km/秒)で飛んできたビルト2彗星の塵をシリカエアロジェルで捕獲したときにできたトラック(長さ約1 mm)。赤矢印は彗星塵粒子の突入方向。(右)スターダストの衝突トラックの先端に捕獲された彗星塵粒子のX線CTによる断面像(Ol: かんらん石、Px: 輝石、Si: シリカエアロジェル、Gl: サンプル保持用のガラスファイバー)
図7(左) 図7(右)
図7:「はやぶさ」により持ち帰られたイトカワ粒子。(左)走査型電子顕微鏡で撮影した反射電子像。粒子の表面微細構造が観察され、複数の微粒子の集合体であることがわかる。(右)Spring-8で取得した放射光マイクロX線CT画像。非破壊で内部構造や構成鉱物が推定できる(Ol: かんらん石、Pl:斜長石、HPx: 高カルシウム輝石、Tr: トロイライト)。

小惑星からのサンプルリターンは今後も引き続きおこなわれます。2014年にはやぶさ2探査機が打ち上げられましたが、サンプルが2020年に地球帰還予定です。また、アメリカのオシリスレックス計画も2016年の打ち上げが決まっています。さらに、月や火星、火星の衛星、彗星など様々な天体からのサンプルリターン計画が考えられており、太陽系大航海時代の幕開けと云えます。わたしたちは、このようなリターンサンプルの分析に向けた準備も進めています(詳しくは手法の開発をご覧ください)。