| Project/Area Number |
21H04996
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Broad Section B
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
芳野 極 岡山大学, 先鋭研究領域, 教授 (30423338)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桑原 秀治 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (50505394)
石井 貴之 岡山大学, 先鋭研究領域, 准教授 (50765534)
増野 いづみ 岡山大学, 先鋭研究領域, 特任助教 (50822102)
山崎 大輔 岡山大学, 先鋭研究領域, 教授 (90346693)
浅沼 尚 京都大学, 人間・環境学研究科, 講師 (90852525)
辻野 典秀 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, テニュアトラック研究員 (20633093)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥193,570,000 (Direct Cost: ¥148,900,000、Indirect Cost: ¥44,670,000)
Fiscal Year 2025: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
Fiscal Year 2024: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2023: ¥27,170,000 (Direct Cost: ¥20,900,000、Indirect Cost: ¥6,270,000)
Fiscal Year 2022: ¥52,910,000 (Direct Cost: ¥40,700,000、Indirect Cost: ¥12,210,000)
Fiscal Year 2021: ¥92,690,000 (Direct Cost: ¥71,300,000、Indirect Cost: ¥21,390,000)
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| Keywords | 高圧実験 / マントル / 熱電測定 / 元素分配 / レオロジー / 強親鉄元素 / 川井型マルチアンビル装置 / 酸化還元状態 / 始原的リザーバー / 核ーマントル相互作用 / 川井型マルチアンビル高圧装置 / 酸化還元 / 川井型マルチアンビル / 川井型マルチアンビル高圧発生装置 |
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| Outline of Research at the Start |
地球惑星科学において超高圧実験はアクセスが困難な地球惑星深部を理解するため決定的に重要な研究手法である。岡山大学惑星物質研究所（IPM）の高圧グループは、大容量川井型マルチアンビル装置（KMA）における圧力・温度発生において世界をリードし、超高圧下における粘弾性測定、熱電測定においても最先端の技術開発により下部マントル条件での実験を実現しつつある。これらの技術革新により、KMAの特徴を活かして超高圧高温下での融解実験、流動特性、核―マントル境界における熱物質輸送特性、酸化還元過程など多角的な研究を展開して、未解決のマントルの諸問題に取り組み地球のマントル進化の統合的モデルの創出に挑む。
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| Outline of Annual Research Achievements |
大容量川井型マルチアンビル装置（KMA）の最近の技術革新により、今まで困難であった圧力、温度での高圧実験を展開できるようになったことを背景に、KMAの特性を最大限に活かすことでマントルの未解決の諸問題に様々な角度から取り組む研究課題である。レイトベニア仮説の検証を行うために、地球のマントルの強親鉄元素の高濃度異常の原因についてケイ酸塩メルトと鉄メルトとの間の強親鉄元素の分配実験の手法を確立し、これまでの研究で使用された高濃度の分配実験ではヘンリー則が成立していないことが分かった。新しい手法による結果は圧力の増加につれ、強親鉄元素の親石性が増加し、コンドライト的なパターンを示すことから深いマグマオーシャンが存在すればレイトベニアを必要とせずに強親鉄元素の高い濃度を説明できる。下部マントルに存在するとされる始原的リザーバーの候補として、BEAMSモデルで提唱された孤立したブリッジマナイトに富む領域の存在が提案されているが、下部マントル条件下における変形実験はこのモデルを支持しない。ブリッジマナイトと珪酸塩メルト間の鉄の2価と３価の分配は無視できる程度であり、マグマオーシャンの結晶化中にブリッジマナイトに鉄の３価が優先的に取り込まれる可能性は低いため鉄の３価に富む下部マントルを説明する他のメカニズムが必要である。最下部マントルに存在すると考えられているメルトの電気伝導度・メスバウアー測定結果から、スピン転移および構造変化によって最下部マントルのメルトは重力的に安定になることが示唆された。核ーマントル境界に由来するW同位体異常は粒界拡散によらずコアのWの酸化による浸透によって引き起こされている可能性が示された。660km地震波不連続面の凹凸の成因を制約するため、放射光を用いた精密な相境界決定実験を行い、系がアルミナを含むと相境界が低圧へシフトすることが分かった。
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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
本年度は、強親鉄元素の分配の測定手法について京都大学の浅沼研究室のLA-ICPMSで大きな進展が見られた。レイトベニア仮説を検証するために高圧下での溶融鉄とケイ酸塩メルト間の強親鉄元素の分配実験で多くの問題がある。今までの実験では珪酸塩メルトの強親鉄元素はコンドライト的なパターンが得られていなかった。この問題は、今までの実験では微量な珪酸塩メルト中の強親鉄元素の測定を行うために、高濃度の強親鉄元素をドープしたことが原因としてヘンリー則が成立していなかった可能性があるため、低濃度をドープした実験を行なったところ、コンドライト的なパターンが得られた。また圧力が上昇するにつれて、強親鉄元素の親石性が強くなる結果が得られたことから、月や火星を含めてマグマオーシャンの深さに依存してマントルの強親鉄元素の濃度の違いが説明できることを示唆した。しかし地球の強親鉄元素を説明するためにはより多岐圧力が必要であり、更なる高圧高温発生技術の改善が求められている。新しい超硬アンビルとボロンドープダイヤモンドヒーターを用いて40GPa、3000Kの発生に成功しており、超高圧下での本実験を行う体制が整ってきた。始原的リザーバーの存在がBEAMSモデルで説明できるかを検証するため放射光施設SPring-8でその場観察高圧変形実験により岩石の軟化が起こらないことが示されたが、冷たい沈み込んだスラブの細粒の場合の検証も行う必要がある。核―マントルの相互作用に関する研究ではスピン転移に伴うペリドタイトメルトの密度の増加により核ーマントル境界の超低速度層の成因である可能性が示された。マルチアンビルの高圧技術を駆使した下部マントルにおける水の挙動や地震波不連続面について新しい知見を得ることができ、当初の計画を超える形で研究が進展した。これらを総合すると概ね順調に推移していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の推進において、マルチアンビルの超高温高圧発生技術についてボロンドープダイヤモンド(BDD)を用いた超高温発生が課題となっている。最近開発された超硬アンビルを用いて、圧力は40GP、3000Kの発生に成功したが、BDDヒーターは2000Kを超えると金属的な挙動を示すようになり、ヒーターが不安定になったり、半導体ヒーターの特性を活かせない問題が発生している。今年度の末にボロンのドープ量を1000ppmまで減らしたBDDを購入して実験を開始している。温度発生が不安定になる要因として電極材料の改良、周囲の材料の熱絶縁性を上げると同時に絶縁物質とヒーターの反応を抑える必要が生じているが、電極についてもより抵抗の低い材質のTaCなどを使用して温度領域の拡大を目指す。来年度は最終年度になるので実際の分配実験を実績のある40GPa程度で行うことで、地球のマントルの強親鉄元素濃度を分配実験によって再現できるか検証する。放射光実験で決定した荷重―圧力関係、温度―電力関係を用いて1000km程度の深いマグマオーシャンを想定した強親鉄元素の分配実験を行う。
次年度は本課題の最終年度にあたることから、現在までに得られた知見をもとにデータを総合的に解釈することで地球誕生初期のレイトベニアに代わる惑星形成モデルを提案する。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment
A: 順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる
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