電場で岩石の粒成長、粘性率は変わるのか？

• Project/Area Number: 21H01190
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 田阪 美樹 静岡大学, 理学部, 准教授 (80772243)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 英弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80313021)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2021: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000)
• Keywords: 変形 / 電場 / 粒成長 / 拡散 / マントル / 粘性 / 粒径 / かんらん岩 / 電気物性 / 変形実験 / マントル流動 / 緻密化挙動

Outline of Research at the Start

材料科学の分野でセラミックス試料に電場をかけて加熱し変形実験を行うと、電場をかけない場合に比べ、低温度・低応力で塑性変形が起きることが発見された。これは試料に電場を加えることで、拡散が加速するためと考えられている。地球を構成する岩石もセラミックスの一種であり、マントル流動も結晶スケールでは拡散に起因している。これまでの地球科学における研究では、精確な力学データと電気物性を同時に測定することが難しかったため、電場と粘性率の関係を求めた研究例はない。そこで本研究は、地球科学と材料科学の知見を駆使し電場下におけるマントルかんらん岩の粒成長・粘性変化を求めることを目的に研究を進める。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は電場下におけるマントルかんらん岩の粒成長・粘性変化を求め、「地球内部に加わる電場で物質拡散が加速され、岩石が柔らかくなるのか？」という問いに対して、研究を進める。本年度は、実験試料作製、変形実験、実験試料の組織解析に加え、どのような素過程によって電場下の物質拡散が加速されるのか、点欠陥化学の観点からモデル作成を行った。
実験試料：化学組成、鉱物量比、岩石試料を制御できる試料作成方法をもちいて、マントルかんらん岩の代表的な鉱物組み合わせである、かんらん石＋輝石系の試料を作製した。
通電圧縮変形実験：通電した岩石の変形特性を調べるために温度1200度、ひずみ速度10^-4/s、電場1000V/cmで実験を行った。試料に電場を加えることで、電場を加えない試料に比べて同じ応力下でひずみ速度で１桁速くなることが分かった。これは電場により物質拡散が加速したためと考えられる。
組織解析：実験前後の岩石組織を調べるために、走査型電子顕微鏡(FE-SEM)とエネルギー分散型X線分光器（EDS）を用いて解析を行った。実験前後で岩石組織の顕著な変化は見られず、電場を加えたことによる粒成長の加速は見られなかった。
点欠陥化学のモデル：流動則と粒成長モデルを組み合わせることで、どのような点欠陥の拡散が電場下の物質移動を加速させるのか考察を行った。電場下でマイナスの電荷を持ったマグネシウム空孔がプラス電極側へ移動するために、電気的中性条件を保つためにプラスの電荷を持った酸素空孔がマグネシウム空孔のある場所で増加し、結果的に空孔濃度が上がるために、電場下で物質拡散が加速すると提案した。このモデルは変形実験、粒成長実験の結果とも一致する。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Sintering and deformation properties of forsterite + diopside aggregates in an electrical field (2023)
  • Author(s): Tasaka, M., K. Maeda, K. Nambu, H. Motomura, H. Yoshida
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 341 Pages: 107051-107051
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2023.107051
  • Peer Reviewed
• [Presentation] かんらん石＋単斜輝石多結晶体から得られた直流電場が及ぼす高温物質輸送への効果 (2022)
  • Author(s): 前田光稀, 田阪美樹, 南部洸太, 本村寛樹, 吉田英弘
  • Organizer: 変成岩などシンポジウム
• [Remarks] 静岡大学田阪研究室
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/tasaka/
• [Remarks] 静岡大学理学部地球科学科 田阪研究室
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/tasaka/articles1/