超高温高圧鉄の中で、水素が流体のように振る舞うー地球内核は超イオン状態かー

2026-07-03 東京科学大学

東京科学大学と愛媛大学の研究チームは、地球内核に相当する超高温・超高圧条件下で、面心立方鉄水素化物(fcc FeHₓ)が「超イオン状態」になることを世界で初めて実験的に示唆した。SPring-8の放射光とレーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いた実験では、約1,500~1,800 Kで超イオン相転移に特徴的なλ型の熱膨張率異常を観測するとともに、約1,600 K付近で水素の移動度が急激に増加し、鉄格子を保ったまま水素だけが高速で拡散する現象を確認した。一方、内核条件での水素の移動度は理論予測より低く、水素が内核半径(約1,200 km)を移動するには地球年齢の100倍以上の時間を要すると推定された。この結果は、内核が超イオン状態にあっても長距離の水素拡散はほとんど進まないことを示唆する。本成果は、地球内核の地震波速度異常や弾性異方性の原因解明、さらには地球深部の進化モデルの高度化に重要な知見を提供するものであり、成果はNature Geoscience誌に掲載された。

超高温高圧鉄の中で、水素が流体のように振る舞うー地球内核は超イオン状態かー
図1. 本研究の結果から得られた面心立方鉄水素合金(fcc FeHx)の相平衡図。

<関連情報>

地球の核条件下における水素化鉄の超イオン挙動の実験的証拠 Experimental indications of superionic behaviour in iron hydride under Earth’s core conditions

Yoshihiro Nagaya,Yusuke Okazaki,Haruhiko Dekura & Kenji Ohta
Nature Geoscience  Published:09 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41561-026-02001-5

Abstract

Earth’s inner core is believed to consist of an iron–light-element alloy such as iron hydride (FeHX). The possibility that a superionic state may emerge in the inner core has recently gained attention as a physico-chemical phenomenon for explaining its seismological properties, such as slow shear-wave velocities and seismic anisotropy. Despite theoretical predictions, direct experimental evidence for superionic behaviour in iron–light-element alloys remains scarce. Here we present in situ, time-resolved X-ray diffraction measurements in a laser-heated diamond-anvil cell. Our experimental observations are consistent with superionic behaviour in face-centred cubic iron hydride (X ~ 1) up to 140 gigapascals—corresponding to Earth’s core pressure. We interpret the anomalous thermal expansion of iron hydride that we observe as consistent with behaviour reported for other superionic materials. In addition, our laser-heating experiments on iron hydride under a constant voltage bias reveal an abrupt migration of hydrogen at the superionic transition temperature. These results suggest that hydrogen in the superionic state may carry a negative charge and diffuse more slowly than predicted by ab initio calculations. These findings suggest that if hydrogen indeed has been incorporated into the inner core during its formation, it can be retained over geodynamic timescales.

1702地球物理及び地球化学
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