Development of levitation experiments for studying magmas under high temperature conditions

• Project/Area Number: 22K18736
• 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: Ehime University
• Principal Investigator: 河野 義生 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (20452683)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: マグマ / 浮遊炉 / 高温 / ガラス

Outline of Research at the Start

ケイ酸塩マグマの物性・構造の理解は、現在の地球内部におけるマグマの状態・挙動や火山噴火過程、さらに初期地球において地球の大部分が溶融していたマグマオーシャンの状態・ダイナミクスなど、様々な地球惑星過程の解明に重要である。しかしながら、マグマオーシャンで想定されるかんらん岩組成のようなSiO2量の少ない組成やFeに富む組成のケイ酸塩マグマの実験は、高い融点の問題と、マグマと容器の反応の問題などにより、これまでほとんど行われていないのが現状である。本研究では、レーザー加熱浮遊炉実験技術を用いることにより、これまで実験が困難であった高融点・高反応組成マグマの実験研究を開拓することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、これまで主に材料科学研究で利用されてきたレーザー加熱浮遊炉実験技術を地球科学のケイ酸塩マグマ実験に応用することにより、これまで実験が困難であった、かんらん岩組成のようなSiO2量が少なく、Feに富む、高融点・高反応組成マグマの実験研究を開拓することを目的として研究を行っている。2022年度においては、(1)国際宇宙ステーションの「きぼう」日本実験棟搭載の静電浮遊炉を用いたかんらん岩組成マグマの密度・粘性率測定と、(2)愛媛大学のレーザー加熱浮遊炉を用いたメルト実験の開発を行った。
(1)については、2022年8月に国際宇宙ステーションでの実験を実施し、高温下において４種類のかんらん岩組成メルトの密度・粘性率の測定に成功した。この宇宙実験後の試料は2023年１月に帰還しており、帰還試料の観察・分析を現在進めている。
(2)については、主に輝石組成試料についての研究を行った。一つ目の研究として、初期地球のマグマオーシャンのようなFeに富む組成のケイ酸塩マグマの構造を研究するための試料合成実験をレーザー加熱浮遊炉を用いて行った。(Mg,Fe)SiO3組成において、Fe量を変化させたガラス試料の合成を行った結果、Fe量約40%以上の組成において急にガラス化が困難になることが判明した。試行錯誤の結果、直径1mm以下に試料を小さくし、急冷速度を上げることにより、Fe量40%を越えるFeに富む組成についてもガラス化が可能であることが分かった。さらに、2つ目の研究として、レーザー加熱浮遊炉で作成した輝石組成ガラスを用い、高圧高温下での焼結実験を行うことにより、均質かつ細粒の輝石多結晶体を合成することに成功した。このような細粒均質の鉱物焼結体は、弾性波速度測定などの物性測定に非常に有用であり、鉱物物性研究などの地球科学研究の発展にも大きく貢献すると考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、レーザー加熱浮遊炉を用いた高融点・高反応組成のケイ酸塩マグマ実験の開拓に向けて、(1)国際宇宙ステーションの「きぼう」実験棟の静電浮遊炉を用いたマグマの物性測定の開拓と、(2)愛媛大学に新たに導入したレーザー加熱浮遊炉を用いた、難ガラス化ケイ酸塩組成の無容器法によるガラス合成手法の開発を行っている。
(1)の研究については、国際宇宙ステーションの「きぼう」実験棟の静電浮遊炉を利用した材料研究テーマ「低重合度のケイ酸塩融体における粘性、密度の温度依存性測定」が採択され、2022年8月に宇宙実験を実施した。その結果、一般的な電気炉実験では不可能な超高温下において、４種類のかんらん岩組成メルトの密度・粘性率を測定することに成功した。この宇宙実験後の試料は、2023年１月に日本に帰還しており、現在、帰還試料の観察・分析を進めている。
また、(2)愛媛大学のレーザー加熱浮遊炉を用いた実験についても、Fe量を変化させた様々な輝石組成についてのメルト実験を実施している。すでに様々なFe量の(Mg,Fe)SiO3組成ガラスの合成ができており、今後、これらガラス試料についてのラマン測定、X線測定により、Fe量が(Mg,Fe)SiO3組成マグマの構造に与える影響を理解するための研究を推進する。さらに加えて、レーザー加熱浮遊炉を用いて合成した輝石組成ガラスを出発試料とした高圧高温焼結実験も行っており、レーザー加熱浮遊炉による均質なガラス試料の合成と、それを用いた高圧高温実験により、細粒・均質な鉱物多結晶体の合成に成功している。このような細粒・均質な鉱物焼結体は、弾性波速度測定などの物性測定に非常に有用であり、レーザー加熱浮遊炉によるガラス合成と高圧高温実験による焼結体合成の組み合わせは、マグマ研究のみでなく、鉱物物性研究などの他の地球科学研究にも大きく貢献すると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

(1)レーザー加熱浮遊炉を用いたマグマの物性研究の開拓を目的とした研究については、2022年度に「きぼう」実験棟搭載の静電浮遊炉を用いたかんらん岩組成マグマの密度・粘性率測定を行い、この実験後試料が2023年1月に帰還している。今後の研究において、この実験後帰還試料の観察・組成分析を進めることにより、まず実験後試料の記載を行う。そして、実験後試料分析により得られた最終的な試料の組成結果を組み合わせて、宇宙実験により得られている密度・粘性率結果の議論を進める。特に、最初に、密度についてのデータをとりまとめることにより、かんらん岩組成マグマの密度についてのモデル構築を行う。そして、これまでの研究により報告されているSiO2量に富む玄武岩-花崗岩組成マグマの密度データを基にした密度モデルとの比較を行い、ケイ酸塩マグマの密度モデルについての議論を行う。
(2)愛媛大学のレーザー加熱浮遊炉を用いたマグマ実験の開拓については、まず2022年度に実験を行った(Mg,Fe)SiO3組成ガラスを用いた構造測定研究を進める。2022年度の実験により、すでに様々なFe量の(Mg,Fe)SiO3組成ガラスを合成しており、今後、これら合成した(Mg,Fe)SiO3組成ガラスについて、ラマン測定や、X線測定を行うことにより、Fe量が輝石組成マグマの構造に与える影響を研究する。さらに、レーザー加熱浮遊炉により作成したガラスから高圧高温合成を行った輝石多結晶体について、鉱物物性研究への応用の一例として、高圧下での弾性波速度測定を行う。それにより、レーザー加熱浮遊炉による均質なガラス試料合成と高圧高温実験による焼結体合成の組み合わせることによる細粒・均質な鉱物多結晶体合成の有用性を示し、マグマ研究だけでなく、その他地球惑星科学研究への応用の可能性を検討する。