[論文レビュー] Superionic hydrogen in Earth's deep interior

Yu He, Duck Young Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2018

High-pressure geophysics and materials参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、地球の下部マントルおよびコアマントル境界に相当する高温高圧条件下において、ヒドロキシドを含む鉱物、例えばペイライト構造をとるFeO2Hxおよびd-AlOOHにおいて、スーパーアイオン状態の水素が存在することを示した。研究結果は、酸素水素結合（O-H）から対称的酸素水素酸素結合（O-H-O）への普遍的な転移経路と、スーパーアイオン状態の形成を明らかにし、地球の深部における電気伝導度および水素拡散の著しい増加を示している。

ABSTRACT

Superionic hydrogen was previously thought to be an exotic state predicted and confirmed only in pure H2O ice. In Earth's deep interior, H2O exists in the form of O-H groups in ultra-dense hydrous minerals, which have been proved to be stable even at the conditions of the core-mantle boundary (CMB). However, the superionic states of these hydrous minerals at high P-T have not been investigated. Using first-principles calculations, we found that pyrite structured FeO2Hx (0 <= x <= 1) and d-AlOOH, which have been proposed to be major hydrogen-bearing phases in the deep lower mantle (DLM), contain superionic hydrogen at high P-T conditions. Our observations indicate a universal pathway of the hydroxyl O-H at low pressure transforming to symmetrical O-H-O bonding at high-P low-T, and a superionic state at high-P high-T. The superionicity of hydrous minerals has a major impact on the electrical conductivity and hydrogen transportation behaviors of Earth's lower mantle as well as the CMB.

研究の動機と目的

• 地球の深部下部マントルに関連する水酸化鉱物におけるスーパーアイオン状態の水素の存在を調査すること。
• 極限の圧力および温度条件下におけるO-H基の構造的・電子的進化を理解すること。
• スーパーアイオン性が地球の下部マントルおよびコアマントル境界における電気伝導度および水素輸送に与える影響を評価すること。
• スーパーアイオン性を示す水素を含む安定な相を深部地球で同定すること。

提案手法

• 第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、高圧・高温条件下におけるFeO2Hxおよびd-AlOOHの電子的および構造的性質をモデル化した。
• 水素の動的挙動を調査するために、ab initio分子動力学（AIMD）シミュレーションを用いた。
• エネルギー状態図およびフォノン分散関数の計算を用いて、O-Hから対称的O-H-O結合への構造的転移を分析した。
• スーパーアイオン状態における水素イオンの移動度に基づいて、電気伝導度を推定した。
• 自由エネルギー計算を用いて相の安定性を評価し、コアマントル境界条件下でのスーパーアイオン状態の存在を確認した。
• 圧力および温度勾配に沿った水素結合の進化およびプロトンの動的挙動を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深部地球の条件下において、FeO2Hxやd-AlOOHのような水酸化鉱物にスーパーアイオン状態の水素が存在可能か？
• RQ2 O-H結合環境は、低圧から高圧・高温へとどのように変化するか？
• RQ3 対称的O-H-O結合が、これらの鉱物におけるスーパーアイオン性を実現する上で果たす役割は何か？
• RQ4 スーパーアイオン性は、地球の下部マントルにおける電気伝導度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 コアマントル境界におけるこれらのスーパーアイオン相の安定性はいかがなものか？

主な発見

• ペイライト構造をとるFeO2Hx（0 ≤ x ≤ 1）は、下部マントルに相当する高圧・高温条件下でスーパーアイオン状態の水素を示した。
• d-AlOOHも同様の極限条件下でスーパーアイオン状態を支持しており、水酸化鉱物におけるスーパーアイオン性の広範な存在を示唆している。
• O-Hから対称的O-H-O結合への普遍的な転移経路が同定され、プロトン拡散が可能になった。
• スーパーアイオン状態は電気伝導度を著しく向上させ、下部マントルにおける異常な伝導度異常を説明する要因となり得る。
• 本研究では、これらのスーパーアイオン相がコアマントル境界でも安定であることが確認され、地球物理学的意義を有することが示された。
• スーパーアイオン状態におけるプロトンの高い移動度により、これらの相における水素輸送は極めて効率的になると予想される。