鉱物中の水素位置で読み解くマントルダイナミクス：鉱物物性の結晶化学的理解に向けて

• Project/Area Number: 16J05854
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Petrology/Mineralogy/Economic geology
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 櫻井 萌 岡山大学, 惑星物質研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 無水鉱物 / FT-IR / 高圧その場IR実験 / 上部マントル / 水素配置 / FTIR / 水素位置

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、マントルダイナミクスの解明に向け、水に起因した物性変化を結晶化学原理により体系的に理解することを目的とし、高圧実験を主とした鉱物中の水素位置の決定および、今後の発展として、低温高圧その場IRへの装置の改良を試みた。
常温における高圧その場IR実験の手法がおおむね確立したため、本年度は極低温下における無水鉱物中の水素のIR観察を試みた。一般に、物体の温度を極低温（～10 K）まで下げIRスペクトルを測定することで、原子の熱振動が弱まり、ブロードなIRバンドは縮退し、シャープなバンドとなることが期待される。
徳島大学野口直樹助教の協力の下、高圧実験により水を含ませたFoとEnの多結晶体を、8 Kという極低温下でIRスペクトルの測定を行った。本測定においては、残念ながら常温下のスペクトルと比べ大きな変化は見られなかった。しかしながら、近年Geiger and Rossman (2019)　においてガーネットの80 KでのIRスペクトルの観察が報告されており、こちらでは常温下で1つのブロードなバンドだったものが、低温下では2つのシャープなバンドに分離していく様子が報告されている。鉱物によって変化が見られるものと見られないものがあるようであるが、シャープなバンドへと変化する鉱物に関しては今後水素位置決定の大きな助けとなることが期待される。
そのため、現在開発途上ではあるものの、80 K程度の低温下での高圧その場IR測定を行うことを目的とし、岡山大学惑星物質研究所に設置された顕微真空IR装置の改良を行っている。低温の実現には、液体窒素を用いて熱伝導によりDACごと冷却することを想定している。しかしながら、熱伝導で冷却を実現するためには、10-4 Pa程度の真空度が必要で、現状の真空度では不十分であることが判明し、真空ポンプの取替えを含め、現在試行錯誤を加えている段階である。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] High-pressure generation in the Kawai-type multianvil apparatus equipped with tungsten-carbide anvils and sintered-diamond anvils, and X-ray observation on CaSnO3 and (Mg,Fe)SiO3 (2019)
  • Author(s): D. Yamazaki, E. Ito, T. Yoshino, N. Tsujino, A. Yoneda, H. Gomi, J. Vazhakuttiyakam, M. Sakurai, Y. Zhang, Y. Higo, Y. Tange
  • Journal Title: Comptes Rendus Geoscience Volume: 351 Issue: 2-3 Pages: 253-253
  • DOI: 10.1016/j.crte.2018.07.004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase transition of wadsleyite-ringwoodite in the system Mg2SiO4-Fe2SiO4 (2019)
  • Author(s): N. Tsujino, T. Yoshino, D. Yamazaki, M. Sakurai, W. Sun, F. Xu, Y. Tange, Y. Higo
  • Journal Title: American Mineralogists Volume: 104 Issue: 4 Pages: 588-594
  • DOI: 10.2138/am-2019-6823
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Towards a consensus on the pressure and composition dependence of sound velocity in the liquid Fe-S system (2016)
  • Author(s): K. Nishida, A. Suzuki, H. Terasaki, Y. Shibazaki, Y. Higo, S. Kuwabara, Y. Shimoyama, M. Sakurai, M. Ushioda, E. Takahashi, T. Kikegawa, D. Wakabayashi, and N. Funamori
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 257 Pages: 230-239
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2016.06.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Pressure effect on IR spectra of anhydrous minerals (2019)
  • Author(s): 櫻井萌・辻野典秀
  • Organizer: Joint symposium of Misasa 2019 & CMC
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TEM observation in the samples of high-pressure in-situ IR experiments (2018)
  • Author(s): 櫻井萌・辻野典秀・大藤弘明
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TEM観察による高圧その場IR 測定実験回収試料の応力測定 (2018)
  • Author(s): 櫻井萌・辻野典秀
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] In-situ IR high pressure experiment on hydrous forsterite (2017)
  • Author(s): 櫻井萌・辻野典秀・舘野繁彦・鈴木敏弘・芳野極・河村雄行・高橋栄一
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2017年大会
• [Presentation] マントル無水鉱物中の水素位置の特定に向けて (2017)
  • Author(s): 櫻井萌・辻野典秀・鈴木敏弘・芳野極
  • Organizer: 第58回高圧討論会
• [Presentation] Mechanisms of hydrogen incorporation in olivine (2016)
  • Author(s): Moe Sakurai, Noriyoshi Tsujino, Shun-ichiro Karato and B. Karki
  • Organizer: AGU Fall meeting 2016
  • Place of Presentation: San Francisco
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Int'l Joint Research