| 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 |
本計画研究では，特に我が国が先導的な役割を果たしてきた量子ビーム高圧実験技術を活用し，様々な地球内部物質の密度や弾性波速度などの物性測定を行う．また，高圧力下での物性変化は構造変化と密接に関係する．そこで，核－マントルを構成する物質の構造を調べ，物性変化の本質に迫る．さらに，本領域研究で掲げる到達目標を達成するため，計画研究各班と連携してマントルの化学組成と核の軽元素およびその濃度を解明し，核－マントルの不均質構造をもたらす物質を解明することを目的とする．
マグマ物性については，二酸化炭素の溶解がマグマの粘度に与える影響を明らかにすることができた．また，ケイ酸塩ガラスおよびメルトの構造を高圧力下で決定し，圧力の増加に伴う構造変化をもとにマグマの物性変化に構造が与える影響を考察した．金属メルトの物性については，鉄とニッケルを主成分とし，軽元素を含む合金融体の弾性波速度をもとに，核の地震波速度構造を議論した．また，鉄に軽元素を含む化合物の弾性波速度を測定し，地球深部の不均質構造を考察した．下部マントルの揮発性元素（軽元素）については，高圧含水相の相境界と状態方程式を決定して，地球深部の水循環を議論した．また，炭酸塩鉱物の高温高圧実験を行い，地球深部での炭素循環やダイヤモンド生成機構のモデルを提唱した．さらに，下部マントル鉱物への窒素の溶解に関する高温高圧実験を行い，地球深部での窒素循環を考察した．加えて，高圧含水相の弾性波速度と状態方程式を用いて，下部マントル深部の地震波速度異常の原因を議論した．また，Alを含む無水・含水Bridgmaniteなど下部マントル鉱物の構造解析や弾性波速度測定を行い，下部マントルの水に関して考察した．これらの研究成果を基に，本領域が目指している核－マントル相互作用と共進化の議論を深めることが出来た．
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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1年目，2年目に導入した実験システムは順調に立ち上がり，新学術領域研究3年目となるH29年度は計画していた実験に本格的に着手することが出来た．下部マントル圧力での融解実験では，マグマの化学組成が実験条件に依存して変化することを明らかにした．加えて，揮発性成分がマグマの物性および構造に与える影響を知ることが出来た．また，高圧含水相や炭酸塩の安定領域を調べることにより，マグマが生成する条件を制約し，加えて地球深部における水素と炭素の挙動を考察することが出来た．さらに，アルミニウムが地球深部含水相の安定領域に大きな影響を及ぼすことが明らかとなり，地球深部水循環を考える上で重要な成果が得られた．一方，窒素については，地球深部の鉱物への固溶を調べることに成功し，窒素循環に制約を与えることが出来るようになった．下部マントル鉱物の弾性波速度測定については，鉱物に含まれるアルミニウムや水素による弾性波速度への影響がわかり，他の計画研究で進みつつある観測および理論に基づく地震波速度構造との比較が出来るようになった．さらに，高圧含水相の弾性波速度測定結果に基づき，地球深部に観測されている地震波速度異常を考察できるようになった．これらの研究は，他の計画研究で行われている地球深部ダイナミクスの議論とも関係する．軽元素を含む鉄合金融体に関する研究では，弾性波速度などの物性測定が計画通りに行われており，核の地震波速度構造との比較から化学組成への制約が進みつつある．
いずれも，計画に沿って順調に地球深部の化学進化に関係した重要な成果が得られており，今後は他の計画研究各班による研究結果と比較・検討を進めることで領域の目指す「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) 本計画研究の井上らによる高温高圧力下での熔融実験により，下部マントル環境下で発生するマグマの化学組成が分かってきた．そこで，揮発性成分を含むことで特徴付けられる地球深部マグマについて物性測定を進める（鈴木，舟越）．また，マグマの構造解析をさらに推進して構造と物性の関係を理解するため，研究分担者を増員する．
(2) 地球深部で発生するマグマは，酸化還元雰囲気や揮発性成分などの条件に応じて変化することが分かってきた．このため，高温高圧力下での熔融実験をさらに進め，地球深部マグマの化学組成を調べて地球内部の進化過程を解明する（井上）．
(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．昨年度から本格的に開始された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) 揮発性元素を含む地球深部物質の相平衡実験を行い，化学組成や物性を調べる（鍵）．これらの実験結果を踏まえ，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ため，研究分担者を増員して対応する．
(5) 地震波の観測などによって得られている速度構造モデルと対比するため，高温高圧力下で核マントル物質の弾性波速度を測定する．特に計画研究の地球化学班，地球物理班，計算班と連携し，地球内部の物質科学的モデルを明らかにする（肥後）．
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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