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含水鉱物の音速測定から探る、マントル最下部への水輸送と大規模地震波低速度域の関係

Research Project

Project/Area Number 22KJ0257
Project/Area Number (Other) 22J13216 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section国内
Review Section Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

池田 理  東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords高圧力 / 含水鉱物 / オキシ水酸化鉄 / 磁気相転移 / 水素結合対称化 / スピン転移 / 鉄スピン転移 / 弾性波速度 / X線非弾性散乱 / メスバウアー分光
Outline of Research at the Start

地球内部の8割を占める分厚い岩体はマントルと呼ばれ、水飴のようにゆっくりと対流する。地表に豊富に存在する水は含水鉱物としてその対流に巻き込まれ、大規模な水循環が起きていると考えられている。含水鉱物の一つである鉄水酸化物ε-FeOOHは、高圧力を加えると複数の相転移が起きるため、地球内部の深さ(圧力条件)によって振る舞い(物性)が大きく変化する。本研究では高圧力実験に様々な測定手法を組み合わせ、ε-FeOOHの物性の圧力変化を調べることを目的としている。

Outline of Annual Research Achievements

地表の天然環境に存在する鉄は酸化され、酸化鉄や水酸化鉄、オキシ水酸化鉄といった形態で遍在する。このうちオキシ水酸化鉄FeOOHは、OH基の形態で水を含む含水鉱物である。特に5番目の結晶構造を持つε-FeOOHは、地球内部の高圧力環境においても安定に存在できる可能性があり、水循環を担う鉱物の候補として注目されている。加えて、高圧力によって水素結合対称化と鉄電子スピン転移の2つの相転移を起こし、振る舞い(物性)が大きく変化することが予測ないし観測されている。高圧力が引き起こす鉱物の物性変化の解明は、地球内部ダイナミクスの理解に繋がるのみならず、物質科学的にも興味深いが、ε-FeOOHは相転移機構の理解が不十分であった。そこで本研究では、ε-FeOOHに圧力を加え、相転移をまたいで圧力を変化させた際の物性の変化を実験的に調べた。
まず、45万気圧で起きる鉄電子スピン転移の観測を目指し、X線非弾性散乱の測定による縦波の弾性波速度の決定と、メスバウアー吸収の測定を行った。縦波速度は相転移付近の圧力で試料が圧縮されやすくなることを示唆し、メスバウアースペクトルは相転移に伴う磁性の変化を示した。加えて、メスバウアースペクトルから、相転移の存在が報告されていなかった8万気圧において、磁気モーメントの向きの変化する磁気相転移が示唆された。この発見を受け、磁気相転移機構の解明に目標を設定し、中性子回折実験を行った。これは18万気圧で予測されている水素結合対称化の観測にも適する手法である。結果の解析により、8万気圧において磁気モーメントの配列が新たな秩序を持つことが判明し、また18万気圧で水素結合が対称化することが確認された。
本研究で得られた結果は、マントル鉱物の磁性や圧縮特性、また磁性と水素結合の関係性に示唆を与える。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] バイエルン地球科学研究所(ドイツ)

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  • [Int'l Joint Research] バイエルン地球科学研究所(ドイツ)

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      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Elastic wave velocity measurements of sodium aluminosilicate glass and melt at high pressure and temperature2024

    • 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

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Magnetic Spin-Flop Transition of ε-FeOOH at 8 GPa2023

    • 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

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] P-V-T equation of state of α-ScOOH2022

    • Author(s)
      Ito Yoshiaki、Ikeda Osamu、Sakamaki Tatsuya、Kuribayashi Takahiro、Suzuki Akio
    • Journal Title

      High Pressure Research

      Volume: 42 Issue: 2 Pages: 200-212

    • DOI

      10.1080/08957959.2022.2089568

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      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Pressure-induced magnetic transition of ε-FeOOH at 8 GPa2023

    • Author(s)
      Ikeda, O., Sakamaki, T., Mitsui, T., Fujiwara, K., McCammon, C.A., Suzuki, A.
    • Organizer
      The Joint 28th AIRAPT-EHPRG International Conference on High Pressure Science and Technology
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Elastic wave velocity measurement of a sodium aluminosilicate glass and melt at high pressure and high temperature2023

    • Author(s)
      高橋直生、坂巻竜也、池田理、柿澤翔、肥後裕司、鈴木昭夫
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2023年大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ε-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、Alfred Q.R. Baron、鈴木昭夫
    • Organizer
      第63回高圧討論会
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      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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