Direct observation of mantle-water reaction in subduction zone using neutron imaging

• Project/Area Number: 21K18641
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 坂巻 竜也 東北大学, 理学研究科, 助教 (30630769)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 中性子イメージング / マントル / 水 / 高圧 / 高温 / 水素

Outline of Research at the Start

水の惑星とも呼ばれる地球において、マントル－水反応は普遍的な現象であり、火山や地震なども含めた地球内部活動に多大に影響を及ぼす。マントル中での水の挙動を知ることは極めて重要であるため、本研究では特に重要な「プレートからマントルへの水の移動」と「マントルの水和」の2つに焦点を当てて研究を進める。
研究遂行のためには中性子イメージングの利用が不可欠であり、日本のような沈み込み帯の直下における地学現象の可視化を目指す極めて挑戦的な研究である。最終的にはマントルウェッジ周辺での流体の挙動と役割を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

放射光X線と高温高圧実験との相性は良く、相互的な技術革新によって地球深部の条件まで実験的に測定することが可能となり、多くの研究成果を挙げている。しかしながら、X線では高圧セルに封入されている試料中の軽い元素を見ることがほぼ不可能であり、それらの軽元素を対象とした測定も困難である。地球科学いう観点に立つと、軽い元素を対象にした研究を避けることはできない。特に地球という惑星を考えた場合、「水」は極めて重要な物質である。そこで、水を研究する上で有効な中性子ビームを活用することに目を付けた。本研究では茨城県の東海村にあるJ-PARCのBL11(PLANET)ビームラインにおいて、中性子回折実験と中性子イメージングの2つの手法に焦点を当てて研究を進めた。
中性子回折実験を利用することで、X線回折では不可能であった含水のナトリウムケイ酸塩メルトの構造(水素位置も含む)の直接的な決定に成功した。5GPaまでの圧力条件下におけるマグマの構造データを取得し、各結合の圧力依存性を解明することができた。ケイ素-酸素間距離、ナトリウム-酸素間距離、酸素-酸素間距離は圧力が増加しても大きく変化しないが、水素-酸素間の距離は圧力に対して敏感であり、圧力起因の重合化が起きていることを突き止めた。
中性子イメージングでは長時間の撮影時間が必要となるため、ビームラインに設置されている6軸プレス圧姫を用いた高温高圧実験テストを行い、長時間安定に高温高圧条件を保持できる実験セルを構築することができた。加えて、ビームライン担当者と研究打ち合わせも進め、中性子イメージングを高温高圧条件下で取得することに成功した。水素量とイメージングにおける濃淡(吸収度合い)に相関があることを確認し、試料中における水素の分布を直接的に観察することが可能となった。

Research Products

• [Journal Article] Elastic wave velocity measurements of sodium aluminosilicate glass and melt at high pressure and temperature (2024)
  • Author(s): Takahashi Naoki、Sakamaki Tatsuya、Ikeda Osamu、Kakizawa Sho、Higo Yuji、Suzuki Akio
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 350 Pages: 107167-107167
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2024.107167
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic Spin-Flop Transition of ε-FeOOH at 8 GPa (2023)
  • Author(s): Ikeda Osamu、Sakamaki Tatsuya、Mitsui Takaya、Fujiwara Kosuke、McCammon Catherine A.、Suzuki Akio
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 4 Pages: 043702-043702
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.043702
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Molecular‐Scale Origin of Shear Thinning and Brittle Failure of Silicate Melt (2023)
  • Author(s): Okumura S.、Uesugi K.、Goto A.、Matsumoto K.、Sakamaki T.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 50 Issue: 16
  • DOI: 10.1029/2023gl104083
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular-scale structural changes of silicate melts under tension revealed by time-resolved X-ray diffraction (2023)
  • Author(s): Okumura Satoshi、Uesugi Kentaro、Goto Akio、Namiki Atsuko、Matsumoto Kazuhisa、Sakamaki Tatsuya
  • Journal Title: Chemical Geology Volume: 621 Pages: 121372-121372
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2023.121372
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deuterium Content and Site Occupancy in Iron Sulfide at High Pressure and Temperature Determined Using In Situ Neutron Diffraction Measurements (2023)
  • Author(s): Abeykoon Sumith、Howard Christopher、Dominijanni Serena、Eberhard Lisa、Kurnosov Alexander、Frost Daniel J.、Ballaran Tiziana Boffa、Terasaki Hidenori、Sakamaki Tatsuya、Suzuki Akio、Ohtani Eiji、Sano‐Furukawa Asami、Abe Jun
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 128 Issue: 9
  • DOI: 10.1029/2023jb026710
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Density deficit of Earth’s core revealed by a multimegabar primary pressure scale (2023)
  • Author(s): Ikuta Daijo、Ohtani Eiji、Fukui Hiroshi、Sakamaki Tatsuya、Heid Rolf、Ishikawa Daisuke、Baron Alfred Q.?R.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 36
  • DOI: 10.1126/sciadv.adh8706
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High Pressure Melts (2022)
  • Author(s): Sakamaki Tatsuya、Ohtani Eiji
  • Journal Title: Reviews in Mineralogy and Geochemistry Volume: 87 Issue: 1 Pages: 557-574
  • DOI: 10.2138/rmg.2022.87.11
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of basaltic glass at pressures of up to 18 GPa (2021)
  • Author(s): Ohashi Tomonori、Sakamaki Tatsuya、Funakoshi Ken-ichi、Hattori Takanori、Hisano Naoki、Abe Jun、Suzuki Akio
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: in press Issue: 3 Pages: 325-335
  • DOI: 10.2138/am-2021-7742
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase transitions of ScOOH under high pressure (2021)
  • Author(s): Ito Yoshiaki、Ikeda Osamu、Ban Rintaro、Kubota Taito、Sakamaki Tatsuya、Kuribayashi Takahiro、Suzuki Akio
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 41 Issue: 3 Pages: 275-289
  • DOI: 10.1080/08957959.2021.1964495
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synchrotron Mossbauer spectroscopic and x-ray diffraction study of ferropericlase in the high-pressure range of the lower mantle region (2021)
  • Author(s): Hamada Maki、Kamada Seiji、Ohtani Eiji、Sakamaki Tatsuya、Mitsui Takaya、Masuda Ryo、Hirao Naohisa、Ohishi Yasuo、Akasaka Masahide
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 17 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.174108
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 放射光X線回折実験に基づく高圧下におけるCO2を含むナトリウムケイ酸塩メルトの構造解析 (2024)
  • Author(s): 早舩 紫野、坂巻 竜也、鈴木 昭夫
  • Organizer: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] 高圧下における水の定量評価：高圧中性子CT法の開発 (2024)
  • Author(s): 有馬 寛、服部 高典、佐野 亜沙美、町田 真一、阿部 淳、舟越 賢一、坂巻 竜也
  • Organizer: 2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
• [Presentation] Neutron diffraction study of hydrous sodium silicate melt at high pressure and high temperature (2023)
  • Author(s): Tatsuya Sakamaki
  • Organizer: Goldschmidt 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of CO2 on the structure of sodium silicate melt at high pressure (2023)
  • Author(s): Shino Hayafune, Tatsuya Sakamaki, Tomonori Ohashi, Akio Suzuki
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elastic wave velocity measurement of a sodium aluminosilicate glass and melt at high pressure and high temperature (2023)
  • Author(s): Naoki Takahashi, Tatsuya Sakamaki, Osamu Ikeda, Sho Kakizawa, Yuji Higo, Akio Suzuki
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity measurement of B2 Fe-Ni-Si alloys at high pressure and high temperature (2023)
  • Author(s): Daijo Ikuta, Eiji Ohtani, Hiroshi Fukui, Tatsuya Sakamaki, Izumi Mashino, Daisuke Ishikawa, Alfred Q. R. Baron
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 含水ケイ酸塩メルトの中性子回折構造解析と鉄メルトの中性子イメー ジング (2023)
  • Author(s): 坂巻 竜也、大橋 智典、高橋 直生、服部 高典、有馬 寛、舟越 賢一
  • Organizer: 第64回 高圧討論会
• [Presentation] 高温高圧下におけるナトリウムアルミノ珪酸塩ガラス・メルトの弾性波速度測定 (2023)
  • Author(s): 高橋 直生、坂巻 竜也、池田 理、 柿澤 翔、肥後 祐司、鈴木 昭夫
  • Organizer: 第64回 高圧討論会
• [Presentation] Longitudinal wave velocity of sodium aluminosilicate melt at high pressure (2022)
  • Author(s): Sakamaki, T
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] H2O-induced melting at the uppermost lower mantle (2022)
  • Author(s): Sakamaki, T
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pressure-induced structural change of basaltic glass up to 18 GPa (2022)
  • Author(s): Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Hattori, T., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
• [Presentation] Density of Fe2O3-bearing magma under high pressure (2022)
  • Author(s): Ban, R., Sakamaki, T., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] e-FeOOH の鉄スピン転移と弾性波速度 (2022)
  • Author(s): 池田 理、坂巻 竜也、福井 宏之、内山 裕士、三井 隆也、藤原 孝将、BARON Alfred、鈴木 昭夫
  • Organizer: 第63回高圧討論会
• [Presentation] 超高圧下における X 線非弾性散乱法による鉄合金およびレニウムの音速測定とその地球内部への適用 (2022)
  • Author(s): 大谷 栄治、生田 大穣、福井 宏、坂巻 竜也、増野 いづみ、境 毅、石川 大輔、BARON Alfred
  • Organizer: 第63回高圧討論会
• [Presentation] Viscosity of silicate melts under high pressures (2021)
  • Author(s): Sakamaki, T
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elastic wave velocity of silicate glasses at high pressure (2021)
  • Author(s): Sakamaki, T
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pressure-induced structural change of basaltic glass up to 18 GPa (2021)
  • Author(s): Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Hattori, T., Hisano, N., Abe, J., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density of Fe2O3-bearing magma under high pressure (2021)
  • Author(s): Ban, R., Sakamaki, T., Suzuki
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elastic wave velocity of ε-FeOOH across the pressure-induced spin transition of iron (2021)
  • Author(s): Ikeda, O., Sakamaki, T., Fukui, H., Uchiyama, H., Baron, A.Q.R., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Deuterium content and site occupancy in iron sulphide at high pressure and high temperature: Implications for the oxidation of early Earth’s mantle (2021)
  • Author(s): Abeykoon, S., Howard, C.M., Dominijanni, S., Eberhard, L., Frost, D.J., Ballaran, T.B., Kurnosov, A., Terasaki, H., Sakamaki, T., Suzuki, A., Ohtani, E., Sano-Furukawa, A., Abe, J.
  • Organizer: Goldschmidt 2021
  • Int'l Joint Research
• [Book] Static and Dynamic High Pressure Mineral Physics (2022)
  • Author(s): Yingwei Fei, Michael J. Walter
  • Total Pages: 418
  • Publisher: Cambridge University Press
  • ISBN: 9781108479752