沈み込み帯浅部における流体移動と水―岩石相互作用に関する実験的研究

• Project Area: Geofluids: Nature and dynamics of fluids in subduction zones
• Project/Area Number: 22109501
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 岡本 敦 東北大学, 大学院・環境科学研究科, 准教授 (40422092)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2011: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2010: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 水熱反応実験 / シリカ鉱物 / 石英脈 / モンテカルロシミュレーション / 多形鉱物 / 地熱地帯 / シリカスケール / 地殻流体 / 反応速度 / 透水率 / 結晶成長組織 / 結晶成長に伴う力

Research Abstract

本年度は、前年度に行った流通式水熱反応装置により作成したシリカ鉱物析出物の詳細な分析を行った。析出するシリカ鉱物は、溶液に含まれるAl濃度が0ppmから7ppmに増加するにつれて、アモルファスシリカ、クリストバライト、石英とより準安定な相へと変化する。電子プローブ顕微鏡でシリカ析出物中のAlとNa濃度を測定したところ、溶液中の濃度が増加すると増加する傾向にあり、特に石英の中では、NaとAlがほぼ等量含まれることが明らかになった。このことは、石英の結晶格子のSiを電荷を合わせるようにAl+Naで置き換えていることが示唆される。また、Alを含まない高Si溶液からはアモルファスシリカが核形成し、クリストバライト、石英へと変化するのに対して、Alが増加すると直接石英が析出するという現象に対して、核形成に関するモンテカルロシミュレーションを行い、定性的には水-シリカ、シリカ-シリカ間の界面エネルギーと溶解度(バルクの自由エネルギー)の相対的な大きさがこのようなバリエーションを生み出すことを明らかにした。
本実験条件である高温(430℃)、高過飽和度(アモルファスシリカの溶解度より高Si濃度)は、地殻の内部において静岩圧から静水圧に変化したときに起こりえる。そのような際に、周囲の長石から溶け出す微量なAlの有無によって、シリカ析出量が全く異なる(Alを含む場合は含まない場合の5倍以上)ということを本研究結果は示唆している。地殻の水理学的・力学的性質は亀裂内のシリカ析出速度に大きく影響されるため、微量なALの与える影響は非常に大きいことが明らかにされた。
また、葛根田地熱発電所のボーリングコアサンプルの中に存在する鉱物脈とシリカスケールのサンプルを入手し、化学組成と成長組織の解析を行い、水熱実験によるシリカ析出物との類似性を見いだした。

Research Products

• [Journal Article] Texture of syntaxial quartz veins synthesized by hydrothermal experiments (2011)
  • Author(s): Okamoto, A., Sekine, K.
  • Journal Title: Journal of Structural Geology Volume: 33 Issue: 12 Pages: 1764-1775
  • DOI: 10.1016/j.jsg.2011.10.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Progress of hydration reactions in olivine-H_2O and orthopyroxenite-H_2O systems at 250 ℃ and vapor-saturated pressure (2011)
  • Author(s): Okamoto, A., Ogasawara, Y., Tsuchiya, N.
  • Journal Title: Chemical Geology Volume: 289 Issue: 3-4 Pages: 245-255
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2011.08.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In situ observation of the crystallization pressure induced by halite crystal growth in a microfluidic channel (2011)
  • Author(s): Sekine, K., Okamoto, A., Hayashi, K.
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 96 Issue: 7 Pages: 1012-1019
  • DOI: 10.2138/am.2011.3765
  • NAID: 10029454430
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of the microboudin method to palaeodifferential stress analysis of deformed impure marbles from Syros, Greece : Implications for grain-size and calcite-twin palaeopiezometers (2011)
  • Author(s): Masuda, T., Miyake, T., Kimura, N., Okamoto, A.
  • Journal Title: Journal of Structural Geology Volume: 33 Issue: 1 Pages: 20-31
  • DOI: 10.1016/j.jsg.2010.11.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermodynamic forward modeling of progressive dehydration reactions during subduction of oceanic crust under greenschist facies conditions (2011)
  • Author(s): Kuwatani, T., Okamoto, A., Toriumi, T.
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 307 Issue: 1-2 Pages: 9-18
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2011.01.027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of the microboudin method to palacodifferential stress analysis of deformed impure marbles from Syros, Greece : Implications lor grain-size and calcite-twin palaeopiezometers (2011)
  • Author(s): Masuda, T., Miyake., T., Kimura, N., Okamoto, A.
  • Journal Title: Journal of Structural Geology Volume: 33 Pages: 20-31
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermodynamic forward modeling of progressive dehydration reactions during sub duction of oceanic crust under greenschist facies conditions (2011)
  • Author(s): Kuwatani, T., Okamoto, A.Toriumi, T.
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: (未定)(印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mineralogical and Textural variation of silica minerals in hydrothermal flow-through experiments : Implications for quartz vein formation (2010)
  • Author(s): Okanioto, A., Saishu, H., Hirano, N., Tsuchiya, N.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 74 Pages: 3692-3706
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Determination of amphibole fracture strength for quantitative paleostress analysis using microboudinage structures (2010)
  • Author(s): Kimura, N., Nakayama S., Tsukishima, K., Miwa, S., Okamoto, A., Masuda, T.
  • Journal Title: Journa of Structural Geology Volume: 36 Pages: 136-150
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The occurrence and structure of vermiform chlorite (2010)
  • Author(s): Kameda, J., Okamoto, A., Mikouchi, T., Kitagawa, M., Kogure, T.
  • Journal Title: Clay Science Volume: 14 Pages: 155-161
  • NAID: 110007641851
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 岩石内に隔離された流体中の有機物および微生物の非汚染検出に関する実験的検討 (2010)
  • Author(s): 中島康隆・平野伸夫・須藤孝一・岡本敦・井上千弘・土屋範芳
  • Journal Title: 地熱学会誌 Volume: 32 Pages: 41-48
  • NAID: 10026313452
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Precipitation of silica minerals from hydrothermal solutions : effect of trace amount of A1 (2012)
  • Author(s): A.Okamoto, H.Saishu, N.Tsuchiya
  • Organizer: "Joint Symposium of Misasa-2012 and Geofluid-2" Dynamics and Evolution of the Earth's Interior : special emphasis on the role of fluids
  • Place of Presentation: 三朝(鳥取)
  • Year and Date: 2012-03-20
• [Presentation] Hydrothermal brecciation-new aspects of crustal failure by geofluids (2012)
  • Author(s): N.Tsuchiya, A.Okamoto, N.Hirano
  • Organizer: "Joint Symposium of Misasa-2012 and Geofluid-2" Dynamics and Evolution of the Earth's Interior : special emphasis on the role of fluids
  • Place of Presentation: 三朝(鳥取)
  • Year and Date: 2012-03-19
• [Presentation] Progress of serpentinization in olivine-H2O system at 250 ℃ and vapor-saturated pressure (2011)
  • Author(s): Okamoto A., Ogasawara Y., Tsuchiya N.
  • Organizer: Fall meeting of American Geophysical Union
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2011-12-08
• [Presentation] Effects of Aluminum on the Precipitation Rate of Silica Minerals (2011)
  • Author(s): Saishu, H., Okamoto, A., Tsuchiya, N.
  • Organizer: Fall meeting of American Geophysical Union
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2011-12-08
• [Presentation] 海洋底条件における蛇紋岩化反応の時間発展 (2011)
  • Author(s): 岡本敦
  • Organizer: 地殻流体研究会
  • Place of Presentation: 花巻(岩手)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-17
• [Presentation] 微細流路内のNaCl析出に伴う結晶成長力のその場観察 (2011)
  • Author(s): 岡本敦・関根孝太郎
  • Organizer: 日本鉱物科学会
  • Place of Presentation: 水戸
  • Year and Date: 2011-09-10
• [Presentation] 核形成を伴うシリカ鉱物析出速度と鉱物脈形成に関する考察 (2011)
  • Author(s): 最首花恵・岡本敦・土屋範芳
  • Organizer: 日本鉱物科学会
  • Place of Presentation: 水戸
  • Year and Date: 2011-09-09
• [Presentation] 水熱環境下における方解石析出の実験的検討 (2011)
  • Author(s): 武者倫正・岡本敦・土屋範芳
  • Organizer: 日本鉱物科学会
  • Place of Presentation: 水戸
  • Year and Date: 2011-09-09
• [Presentation] 飽和蒸気圧下におけるかんらん石-水、斜方輝石-水系における加水反応の進行 (2011)
  • Author(s): 小笠原由一・岡本敦・土屋範芳
  • Organizer: 日本鉱物科学会
  • Place of Presentation: 水戸
  • Year and Date: 2011-09-09
• [Presentation] 不均質核形成、オスワルドの段階則とポッツモデル:シリカ鉱物析出メカニズムに対する考察 (2011)
  • Author(s): 岡本敦
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張
  • Year and Date: 2011-05-27
• [Presentation] 飽和蒸気圧下における蛇紋岩化作用の水熱実験 (2011)
  • Author(s): 小笠原由一、岡本敦、土屋範芳
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張
  • Year and Date: 2011-05-25
• [Presentation] 地殻におけるシリカ鉱物析出様式・速度に対するA1の影響 (2011)
  • Author(s): 最首花恵、岡本敦、土屋範芳
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張
  • Year and Date: 2011-05-25
• [Presentation] 水熱環境下における方解石析出実験 (2011)
  • Author(s): 武者倫正、岡本敦、土屋範芳
  • Organizer: 地球惑星科学連合大会
  • Place of Presentation: 幕張
  • Year and Date: 2011-05-25
• [Presentation] Pressure-temperature path in the metapelites from the Tseel metamorphic terrane, SW Mongolia (2010)
  • Author(s): Brenjargal, U., Okamoto, A., Tsuchiya, N.
  • Organizer: fall meeting of American Geophysical Union
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2010-12-15
• [Presentation] 蛇紋岩化反応に伴う溶液組成の時間変化 (2010)
  • Author(s): 岡本敦・小笠原由一・上屋範芳
  • Organizer: 日本地質学会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] 四万十態・室と地域における鉱物脈中の流体物組成の空間変化 (2010)
  • Author(s): 武者倫正・岡本敦・土屋範芳
  • Organizer: 日本地質学会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2010-09-19
• [Presentation] Textural development and fluid flow during mineral vein formation (2010)
  • Author(s): Okamoto A., Saishu H., Tsuchiya N.
  • Organizer: General meeting of International Mineralogical Association
  • Place of Presentation: Budapest, Hungary
  • Year and Date: 2010-08-23
• [Presentation] Precipitation of silica minerals in hydrothermal flow-through experiments (2010)
  • Author(s): Saishu, H., Okamoto, A., Tsuchiya, N.
  • Organizer: Water-rock interaction
  • Place of Presentation: Guanajuato, Mexico
  • Year and Date: 2010-08-19
• [Presentation] 石英脈形成における微細組織発達 (2010)
  • Author(s): 岡本敦・関根孝太郎
  • Organizer: 地球惑星科学連合
  • Place of Presentation: 幕張
  • Year and Date: 2010-05-25
• [Presentation] 熱水流通実験による鉱物析出にともなう透水率変化 (2010)
  • Author(s): 最首花恵・岡本敦・土屋範芳
  • Organizer: 地球惑星科学連合
  • Place of Presentation: 幕張
  • Year and Date: 2010-05-24