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下部マントル鉱物の水溶解度の精密決定と地球マントル水循環・分布モデルの構築

Research Project

Project/Area Number 23K19067
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0204:Astronomy, earth and planetary science, and related fields
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

石井 貴之  岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (50765534)

Project Period (FY) 2023-08-31 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywordsマントル / 地球内部水 / 高圧実験 / その場X線観察実験 / デイブマオアイト / 赤外分光法 / 単結晶 / 含水量 / 地球マントル / 鉱物 / 高温高圧下X線その場観察法
Outline of Research at the Start

地球表層と内部の間を水の大循環プロセスと地球内部の水貯蔵量を明らかにすることは、地震や火山活動などの地質現象の解明、地球内部の化学的進化を明らかにするために重要である。独自に開発した川井型マルチアンビル高圧発生装置を用いた高圧実験により、精密な温度・圧力・化学組成制御下で、下部マントルで3番目の体積比を有するデイブマオアイトの水の溶解度を決定する。得られた結果から、下部マントルの水循環・分布モデルを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

水がどのように地球表層と内部の間を循環しているのか、そしてどの程度地球内部に水が蓄えられているのかを明らかにすることは、地震や火山活動などの地質現象の原因や地球マントルの進化を理解するために重要である。上部マントルから遷移層条件で安定な水を含む鉱物が、天然のダイヤモンド包有物として発見されたことで、少なくとも遷移層まで水が運ばれ、貯蔵されていることが明らかとなっている。一方、下部マントルを起源とする海洋島玄武岩は高い含水量を示しており、下部マントルにも水が蓄えられている可能性がある。しかし、下部マントル主要鉱物のブリッジマナイトとフェロペリクレースへの水の溶解度は非常に低いため、下部マントルにおいて水がどのように分布し循環しているのかは、未解決の問題である。本研究では、下部マントルで3番目の体積比を有し、高い水の溶解度が期待される鉱物であるデイブマオアイトに注目する。川井型マルチアンビル高圧発生装置を用いた高圧実験により、デイブマオアイトの水の溶解度を決定し、下部マントルの水循環・分布モデルを構築することを目的とする。
2023年度は、主に放射光X線を用いた高温高圧下その場X線観察実験により、デイブマオアイトの含水量の決定を行った。含水条件下のCaSiO3デイブマオアイトの格子体積を測定した。下部マントルまでの圧力温度条件において、含水下の格子体積は、無水条件におけるCaSiO3デイブマオアイトの格子体積と同程度の値であり、先行研究で報告されているような含水化に伴う格子体積の著しい減少は見られなかった。また、先行研究で報告されているような含水条件下での立方晶から正方晶への結晶系の変化も見られなかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

初年度である2023年度は、主に放射光X線を用いた高温高圧下その場X線観察実験により、含水条件下のCaSiO3デイブマオアイトの格子体積測定に成功した。下部マントルの圧力温度条件まで、デイブマオアイトの格子体積を測定し、当初の計画通り研究を遂行できたと言える。
また、2024年度の主な実施予定であるCaTiO3を含むCaSiO3ペロブスカイト単結晶合成とその含水量測定についても予備実験を実施した。単結晶育成における最適な高温高圧合成条件を確立し、最大0.3 mmの単結晶育成に成功し、2024年度の実施計画を円滑に推進する土台を作ることができた。

Strategy for Future Research Activity

放射光X線を用いた高温高圧下その場X線観察実験は、2023年度に下部マントル最上部条件までの実験が終了した。2024年度は、下部マントル上部から中部条件まで圧力・温度条件を拡大し、引き続き実験を行う予定である。また、2024年度は、マントル遷移層から下部マントル条件におけるCaTiO3を含むCaSiO3ペロブスカイトの含水下での単結晶合成と赤外分光測定による含水量測定を主に行う。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 5 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Temperature Dependence of H<sub>2</sub>O Solubility in Al‐Free Stishovite2024

    • Author(s)
      Purevjav Narangoo、Fei Hongzhan、Ishii Takayuki、Criniti Giacomo、Lin Yanhao、Mao Ho‐Kwang、Katsura Tomoo
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: 51 Issue: 3

    • DOI

      10.1029/2023gl104029

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hydrogen partitioning between stishovite and hydrous phase δ: implications for water cycle and distribution in the lower mantle2024

    • Author(s)
      Ishii Takayuki、Criniti Giacomo、Purevjav Narangoo、Katsura Tomoo、Ohtani Eiji
    • Journal Title

      Progress in Earth and Planetary Science

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1186/s40645-024-00615-0

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Equation of State and Spin Crossover of (Al, Fe)‐Phase H2023

    • Author(s)
      Strozewski Benjamin、Buchen Johannes、Sturhahn Wolfgang、Ishii Takayuki、Ohira Itaru、Chariton Stella、Lavina Barbara、Zhao Jiyong、Toellner Thomas S.、Jackson Jennifer M.
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      Volume: 128 Issue: 4

    • DOI

      10.1029/2022jb026291

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Iron and aluminum substitution mechanism in the perovskite phase in the system MgSiO3-FeAlO3-MgO2023

    • Author(s)
      Ishii Takayuki、McCammon Catherine、Katsura Tomoo
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 108 Issue: 4 Pages: 738-743

    • DOI

      10.2138/am-2022-8457

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] High-pressure phase transition and equation of state of hydrous Al-bearing silica2023

    • Author(s)
      Criniti Giacomo、Ishii Takayuki、Kurnosov Alexander、Glazyrin Konstantin、Ballaran Tiziana Boffa
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 108 Issue: 8 Pages: 1558-1568

    • DOI

      10.2138/am-2022-8546

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Buoyancy of slabs and plumes enhanced by curved post-garnet phase boundary2023

    • Author(s)
      Ishii Takayuki、Frost Daniel J.、Kim Eun Jeong、Chanyshev Artem、Nishida Keisuke、Wang Biao、Ban Rintaro、Xu Jianing、Liu Jin、Su Xiaowan、Higo Yuji、Tange Yoshinori、Mao Ho-kwang、Katsura Tomoo
    • Journal Title

      Nature Geoscience

      Volume: 16 Issue: 9 Pages: 828-832

    • DOI

      10.1038/s41561-023-01244-w

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structure and compressibility of Fe-bearing Al-phase D2023

    • Author(s)
      Criniti Giacomo、Ishii Takayuki、Kurnosov Alexander、Glazyrin Konstantin、Husband Rachel J.、Ballaran Tiziana Boffa
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 108 Issue: 9 Pages: 1764-1772

    • DOI

      10.2138/am-2022-8559

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Crystal chemistry and compressibility of Fe0.5Mg0.5Al0.5Si0.5O3 and FeMg0.5Si0.5O3 silicate perovskites at pressures up to 95?GPa2023

    • Author(s)
      Koemets Iuliia、Wang Biao、Koemets Egor、Ishii Takayuki、Liu Zhaodong、McCammon Catherine、Chanyshev Artem、Katsura Tomo、Hanfland Michael、Chumakov Alexander、Dubrovinsky Leonid
    • Journal Title

      Frontiers in Chemistry

      Volume: 11 Pages: 1258389-1258389

    • DOI

      10.3389/fchem.2023.1258389

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A curved post-garnet boundary enhances slab and plume dynamics in the Earth’s mantle2023

    • Author(s)
      Ishii Takayuki, Katsura Tomoo
    • Journal Title

      Nature Geoscience

      Volume: 16 Issue: 9 Pages: 766-767

    • DOI

      10.1038/s41561-023-01245-9

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Water solubility of aluminous stishovite coexisting with hydrous phase δ: Implication for water cycle in the lower mantle2023

    • Author(s)
      Takayuki Ishii, Eiji Ohtani
    • Organizer
      Japan Geoscience Union Meeting 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Developments of Kawai-type multi-anvil technology and their applications to geoscience2023

    • Author(s)
      Takayuki Ishii
    • Organizer
      The 2nd Conference on Physics under Synergetic Extreme Conditions held jointly with the Summer School of SECUF
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 川井型マルチアンビルプレスを用いた技術開発とその地球科学的応用2023

    • Author(s)
      石井貴之
    • Organizer
      SPRUC地球惑星科学・高圧物質科学 合同サテライト研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 非線形クラペイロン勾配を持つMg3Al2Si3O12系ポストガーネット相転移とそのマントルダイナミクスへの影響2023

    • Author(s)
      石井貴之
    • Organizer
      第64回高圧討論会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Water solubility of aluminous silicas at lower mantle conditions and their implication for water cycle in the deep mantle2023

    • Author(s)
      Takayuki Ishii, Giacomo Criniti, Eiji Ohtani, Narangoo Purevjav, Hongzhan Fei, Tomoo Katsura, Ho-kwang Mao.
    • Organizer
      American Geophysical Union Fall meeting 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-09-11   Modified: 2024-12-25  

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