地球の水素と炭素はほとんどがコアに~地球全体の存在量から水と炭素の由来を推定~

2025-11-21 東京大学

東京大学・北海道大学らの研究グループは、ダイヤモンドアンビルセルとSPring-8などを用いた高圧高温実験により、金属鉄(コア)とシリケイトメルト(マグマオーシャン)間の水素・炭素の分配係数を同時に決定した。その結果、地球内部条件では水素・炭素はいずれも鉄側に強く濃集し、地球が現在もつ水素と炭素の9割以上がコアに存在すると推定された(マントル側では主に水として存在)。さらに、この分配係数を用いた集積・コア形成モデルから、地球全体の水・炭素量を再現するには、従来想定されてきた炭素質コンドライトだけでなく、最大で水の約53%、炭素の約72%が非炭素質コンドライト起源である必要があることが示された。これにより、コア軽元素組成制約とともに、地球の水・炭素の起源像が大きく更新された。

地球の水素と炭素はほとんどがコアに~地球全体の存在量から水と炭素の由来を推定~
地球深部の環境を実現するダイヤモンドアンビルセル装置(左)と高圧高温下でコアとマントル物質の化学反応を見るための実験試料(右)

<関連情報>

地球の水素と炭素の起源は、核マントルの分離と地球全体の存在量によって制限される Origin of Earth’s hydrogen and carbon constrained by their core-mantle partitioning and bulk Earth abundance

Yutaro Tsutsumi,Naoya Sakamoto,Kei Hirose,Shuhei Mita,Shunpei Yokoo,Han Hsu & Hisayoshi Yurimoto
Nature Communications  Published:21 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-65729-5

Abstract

Hydrogen and carbon concentrations in the Earth’s core are yet known. Here we determined their metal/silicate partition coefficients (D) simultaneously under typical conditions of core formation and found that DH and DC diminish in the presence of carbon and hydrogen, respectively, because of strong interactions between hydrogen and carbon in liquid metal, being markedly different from those separately examined in earlier experiments. With these partitioning data, we investigated the core and bulk Earth abundances of hydrogen and carbon based on core formation scenarios that are compatible with the bulk silicate Earth composition and the mass fraction and density of the core. The modelling results indicate that the Earth building blocks do not match enstatite chondrites in water abundance but require contributions by carbonaceous chondrites. The multi-stage core formation models combined with an Earth accretion scenario accounting for isotopic composition show 0.18–0.49 wt% H and 0.19–1.37 wt% C in the core, leading to 0.53–1.40 wt% H2O (present as H in the core) and 0.07–0.44 wt% C in the bulk Earth. Our modelling also demonstrates that up to 53% and 72% of Earth’s water (hydrogen) and carbon, respectively, could have been derived from non-carbonaceous chondritic materials.

1702地球物理及び地球化学
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