衝撃圧縮法による高密度含水鉱物の相図拡張とマントル深部への水輸送プロセスの考察

• Project/Area Number: 21J01448
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 梅田 悠平 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 含水鉱物 / 衝撃圧縮 / X線自由電子レーザー / 融解 / 高圧実験 / その場光学計測

Outline of Research at the Start

惑星深部に存在する高密度含水マグネシウムケイ酸塩が水の輸送特性や内部構造に与える影響を明らかにすることを目的として衝撃圧縮実験を行う。これまで第一原理計算でしか予測されてこなかった温度圧力条件における高密度含水マグネシウムケイ酸塩の密度変化や融解・脱水反応の様子をその場観測することによって、実際の惑星深部において安定性を保ち、それらが水の輸送や貯蔵にどのような影響を与えるかを議論する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、地球や巨大地球型惑星（スーパーアース）マントルの水輸送特性に重要な役割を果たしている含水鉱物の圧縮特性や相境界（固体-液体境界、脱水分解境界、金属転移境界など）の理解を従来より遥かに高い圧力領域まで拡張し、地震波速度データや計算結果などと、直接比較検討を可能とすることによって、実際の惑星深部において安定性を保ち、それらが水の輸送や貯蔵にどのような影響を与えるかを議論することである。今年度は、蛇紋石（アンチゴライト）に対して、①大阪大学レーザー科学研究所におけるユゴニオ計測実験と②Spring-8, SACLAにおけるその場X線回折実験を行った。①の実験の結果、従来データより遥かに高い圧力領域（300万気圧から1000万気圧）における衝撃圧縮特性（ユゴニオ）データの取得に成功した。本研究によって、スーパーアースマントル環境における圧力-密度指標を初めて決定した。本実験結果と低圧側の先行研究結果の比較を行うと、150~300万気圧における圧縮特性に不連続（圧力増加に伴い、密度が減少）が生じていることが明らかになった。②の実験の結果、150 万気圧を超える圧力領域において、蛇紋石の融解が起きていることが明らかになった。この融解開始圧力は、圧縮特性の不連続領域とよく一致している。本研究で明らかとなった高温高圧下の蛇紋石の構造変化に伴う密度変化は、スーパーアース内部構造モデリング、水輸送特性などに大きな影響を与えると考えられる。
また、本年度実験の過程で実験ターゲットの構造、レーザー条件、光学計測条件などの最適化や改善策の評価を行った。今後はレーザーパルスを制御した実験と高圧相に対する実験を行うことによって、温度上昇を制御し、より広範な温度圧力領域の開拓を行う。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hugoniot and released state of calcite above200GPa with implications for hypervelocity planetary impacts (2022)
  • Author(s): Yuhei Umeda, Keiya Fukui, Toshimori Sekine, Marco Guarguaglin, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Nobuki Kamimura, Kento Katagiri, Ryosuke Kodama, Takeshi Matsuoka, Kohei Miyanishi, Alessandra Ravasio, Takayoshi Sano, Norimasa Ozaki
  • Journal Title: Icarus Volume: 377 Pages: 114901-114901
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114901
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hugoniot equation-of-state and structure of laser-shocked polyimide C22H10N2O5 (2022)
  • Author(s): K. Katagiri, N. Ozaki, D. Murayama, K. Nonaka, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Miyanishi, H. Nakamura, T. Okuchi, T. Sano, Y. Seto, K. Shigemori, K. Sueda, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 105 Issue: 5 Pages: 054103-054103
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.054103
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Micron-scale phenomena observed in a turbulent laser-produced plasma (2021)
  • Author(s): Rigon G.、Albertazzi B.、Pikuz T.、Mabey P.、Bouffetier V.、Ozaki N.、Vinci T.、Barbato F.、Falize E.、Inubushi Y.、Kamimura N.、Katagiri K.、Makarov S.、Manuel M. J.-E.、Miyanishi K.、Pikuz S.、Poujade O.、Sueda K.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Gregori G.、Kodama R.、Casner A.、Koenig M.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22891-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast olivine-ringwoodite transformation during shock compression (2021)
  • Author(s): T. Okuchi, Y. Seto, N. Tomioka, T. Matsuoka, B. Albertazzi, N. J. Hartley, Y. Inubushi, K. Katagiri, R. Kodama, T. A. Pikuz, N. Purevjav, K. Miyanishi, T. Sato, T. Sekine, K. Sueda, K. A. Tanaka, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, T. Yabuuchi, M. Yabashi, N. Ozaki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4305-4305
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24633-4
  • NAID: 120007141957
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー衝撃圧縮法を用いた高圧下の惑星物質の研究 (2022)
  • Author(s): 梅田 悠平
  • Organizer: 第56回学術講演会
• [Presentation] レーザー衝撃圧縮法で再現する高速天体衝突極限環境における含水鉱物の高圧物性計測と時間分解構造観察 (2021)
  • Author(s): 梅田 悠平、奥地 拓生、関根 利守、佐野 孝好、犬伏 雄一、片桐 健登、兒玉 了祐、宮西 宏併、瀬戸 雄介、清水 健二、篠田 圭司、末田 敬一、富樫 格、冨岡 尚敬、藪内 俊毅、尾崎 典雅
  • Organizer: 第62回高圧討論会
  • Invited
• [Presentation] パワーレーザー/XFEL利用によるフォルステライトの高速相転移と高速融解 (2021)
  • Author(s): 奥地 拓生,富岡 尚敬,尾崎 典雅,瀬戸 雄介,兒玉 了祐, 宮西 宏併,関根 利守,梅田 悠平,薮内 俊毅
  • Organizer: 第62回高圧討論会
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーによるナノ多結晶ダイヤモンド超高速変形のその場観察 (2021)
  • Author(s): 片桐 健登、尾崎 典雅、DRESSELHAUS-MARAIS Leora、EGGERT Jon H、犬伏 雄一、松岡 健之、宮西 宏併、西山 宣正、末田 敬一、関根 利守、瀬戸 雄介、丹下 慶範、入舩 徹男、富樫 格、 梅田 悠平、矢橋 牧名、籔内 俊毅、兒玉 了祐
  • Organizer: 第62回高圧討論会