| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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| Project/Area Number |
15H05828
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
鈴木 昭夫 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20281975)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 徹 広島大学, 理学研究科, 教授 (00291500)
山田 明寛 滋賀県立大学, 工学部, 助教 (00543167)
肥後 祐司 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (10423435)
栗林 貴弘 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20302086)
舟越 賢一 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発, 中性子科学センター, 主任研究員 (30344394)
寺崎 英紀 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (50374898)
鍵 裕之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70233666)
村上 元彦 東北大学, 理学研究科, 教授 (50401542)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥186,550,000 (Direct Cost: ¥143,500,000、Indirect Cost: ¥43,050,000)
Fiscal Year 2019: ¥36,920,000 (Direct Cost: ¥28,400,000、Indirect Cost: ¥8,520,000)
Fiscal Year 2018: ¥37,050,000 (Direct Cost: ¥28,500,000、Indirect Cost: ¥8,550,000)
Fiscal Year 2017: ¥37,050,000 (Direct Cost: ¥28,500,000、Indirect Cost: ¥8,550,000)
Fiscal Year 2016: ¥38,870,000 (Direct Cost: ¥29,900,000、Indirect Cost: ¥8,970,000)
Fiscal Year 2015: ¥36,660,000 (Direct Cost: ¥28,200,000、Indirect Cost: ¥8,460,000)
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| Keywords | 核ーマントル / 地球内部 / 鉱物物理学 / 高圧力 / 量子ビーム / 核－マントル / 放射光 / マントル / 核 / 高圧 / マグマ / 元素循環 / 状態方程式 / ダイヤモンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マグマの物性に関する研究では、地球深部で発生するSiO2濃度の低いマグマの粘度について圧力依存性を決定し、粘度が高圧力下で極小値を持つことを明らかにした。マグマの構造に関係する研究については、玄武岩ガラスについてのX線および中性子線回折実験により18 GPaまでの構造解析を行った。また、含水ナトリウム珪酸塩メルトについてのX線回折実験により 3 GPaまでの構造解析を行った。中性子線回折に関しては、世界で初めて3 GPaまでの含水ナトリウム珪酸塩メルトの回折パターンの取得に成功した。地球中心核の金属メルトに関する研究では、複数の軽元素の弾性特性への効果を調べるために、Fe-Ni-S-Si融体の音速を16 GPaの圧力条件まで測定し、その圧力依存性を明らかにした。また密度測定の圧力範囲拡張を目指して、外熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いた液体金属の密度測定を開発・実施した。地球深部における軽元素の挙動を解明する目的で高温高圧実験を行った。窒素に関してはスティショバイトが他の下部マントル鉱物に比べてきわめて高い濃度で取り込まれることが明らかになった。地球コアに取り込まれた軽元素（特に水素と硫黄）については、原始地球の状態を見立てた系で中性子回折その場観察実験を行い、7GPa,1000Kでの鉄化合物（鉄水素化物および硫化鉄）の水素量を見積もった。また高解像度X線イメージング用カメラシステムを開発し、鉄がシリケイトから分離する様子を捉えることに成功した。地球深部鉱物の構造解析については、新規に合成された２つのAl2SiO5高圧相について、実験室、ならびに放射光を用いることで結晶構造決定に成功した。弾性波速度測定については、超高圧実験により、下部マントル条件で重要なAlを含むMgSiO3ペロブスカイト（ブリッジマナイト）の弾性的性質を、無水および含水条件下で明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究メンバーそれぞれの所属機関で導入した実験システムは順調に立ち上がり、計画していた実験は順調に進んでいる。地球深部における揮発性元素の挙動など、新たな研究成果も順調に得られている。弾性波速度測定の担当者として2017年度に村上氏から交代した肥後氏およびマントル鉱物やメルトの構造解析の担当者として2018年度から分担者に加わった栗林氏および山田氏による研究も順調に進捗している。また、地球化学および地球物理に関係した領域内の計画研究各班と合同で班会議を行い、領域内の連携による研究の推進を加速することができた。マグマおよび金属メルトの構造と物性に関する研究では、放射光や中性子といった量子ビームを用いた研究が進み、圧力の増加に伴う物性変化を構造の変化と対比して議論できるようになった。弾性波速度の研究では、下部マントルの主要構成鉱物であるブリッジマナイトについて、様々な化学組成の変化による弾性波速度の影響に関する研究が進んでおり、地震波観測との比較検討に取り組みつつある。
いずれの研究でも、計画に沿って順調に地球深部の物理的性質や化学進化に関係した重要な成果が得られている。最終年度では引き続き他の計画研究各班との合同班会議を開催してお互いの研究結果を比較・検討し、領域の目指す「核－マントル相互作用と共進化」に関する議論を展開することが出来る段階に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 地球深部マグマについての物性測定および構造解析を進めて、地球深部の分化に関する議論を推進する（鈴木、舟越、山田）
(2) 下部マントルを構成する地球深部鉱物であるブリッジマナイトなどの弾性波速度測定を、温度・圧力・化学組成を拡大してさらに推進し、地球物理観測結果と対比して地球深部の化学組成に関する考察を深める（井上・肥後）。
(3) 地球の外核は鉄やニッケルといった金属元素を主成分として、酸素、ケイ素、硫黄、水素などの軽元素を含む液体になっている。これまでに取り組んでいる金属メルトの物性測定をさらに推進し、他の計画研究と連携して外核の化学組成モデルに制約を与える（寺崎）。
(4) 揮発性元素の挙動に関係した高温高圧実験を行い、地球深部での揮発性元素の挙動に基づいて核－マントル共進化を解明する（鍵）。また、揮発性成分を含む高圧相の構造解析をさらに推進し、構造と物性の関係を解明する（栗林）。
以上に挙げた核－マントル物質の構造と物性に関する研究に取り組むと共に、班会議および計画研究各班との合同班会議を開催して、「核－マントルの相互作用と共進化」の解明に向けた共同研究を推進する。
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