地球・惑星天体は、岩石、鉱物、隕石、氷などの物質から構成され、その起源と歴史記録は、物質が持つ固有の物理化学的特性に基づいて科学的な解明が可能です。さらに太陽惑星系には、人間が到達して試料を手にできない高温高圧の惑星内部から低温真空の宇宙空間など多様で極端な環境が実現しており、室内実験による再現や理論的予測が必要です。我々は、そのために先端的手法を結集し、地球惑星プロセスに働く普遍的メカニズムを検証する物質科学の開拓、地球惑星の起源と進化の解明、環境予測解読を実証的に進めています。
地球惑星と太陽系の小天体は、約46.5億年前小さな塵から1億年の間に成長して誕生しました。この惑星形成初期段階には、天体内部が高温となりマグマオーシャンが発生し、金属中心核の形成やマントルとプレートの化学的分化が急速に進行します。そしてそのような化学不均質構造はその後のマントル対流によって時間とともにダイナミックに変化していきます。我々はそのような形成初期から現在に至るまでの地球惑星内部で起こった溶融現象や化学反応プロセスを実験的に再現し(図1)、地球惑星内部構造を解明する研究を行っています。こうした研究は、「巨大衝突説」に代表される月の起源や水星、火星、金星、太陽系外惑星との比較惑星学とも関連しています。
岩石惑星や氷天体内部では、岩石や氷が相転移して層構造が形成されるとともに、それらが固体のまま流動して熱対流運動が起こっています。例えば地球では表面の冷たいプレートがそのまま地球内部に沈み込むため他の天体にはない多くの興味深い現象が観測されています。我々は特に、沈み込んだプレートは上下マントル境界を突き抜けるのか(全マントル対流 or 2層マントル対流)? プレート内部ではなぜ脆性-塑性境界を越えても地震が起こり続けるのか(深発地震の謎)? といった問題に着目し、高温高圧下で塑性変形実験を行って反応速度や流動データ、断層形成によって発生した弾性波などをその場同時測定し、相転移と流動のカップリング現象の解明に取り組んでいます(図2)。
また、太陽系外縁部に存在する氷天体内部でも相転移が起こっており(図3)、我々の実験によればそのような高圧氷は予想以上に流動しやすいことが明らかになってきました。また氷天体にはwater iceに加え二酸化炭素などのnon water iceも存在していますが、それがほんの少量加わっただけで氷の粘性率を劇的に減少させることが分かり、極低温環境下で活発なテクトニック活動が起こる原因と考えられます。さらに衝撃を受けた隕石中に見られる相転移現象にも着目して研究しています。惑星形成期の天体衝突によって高温高圧状態が発生し、それは隕石に様々な相転移組織を残しますが、衝突の時間スケールは数秒以下と非常に短いため反応が中途半端に終わっていることが多いです。その状態を実験的に再現できれば衝突の温度圧力時間スケールが分かり、衝突した天体の大きさを制約することができます。このように惑星物質の相転移と流動現象を実験的に解明することで、天体内部で起こる様々なダイナミック現象を解き明かす研究を行っています。
地球の表層部には多量の水が存在します。地球生成以来、水と岩石が反応し、鉱物の生成と変化を繰り返しています。溶液を反応場とする鉱物、特に粘土鉱物の生成と変化を明らかにし、地球表層部の進化の理解を深めることを目指します。一方で、微粒の粘土鉱物は極めて反応性に富む鉱物であり、その分布は人類の生活の場と重なり、粘土鉱物の性質を理解することは、有害物質による汚染等の環境問題や新しい機能を有する物質の創製にも寄与しています。また、地球表層は私たちが鉱物を直接手にとって観察し、採集出来る貴重なフィールドです。ここでは約4000種の鉱物が記載されていますが、まだ、未発見の新種の鉱物も残されていますので、記載鉱物学的手法による鉱物の多様性に関する研究も進めています。最新のX線回折装置と電子顕微鏡を相補的に用いて、ナノスケールにおよぶ詳細な物質研究を展開しています(図4)。