2016 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamic behaviour of core and mantle materials
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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| Project/Area Number |
15H05827
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
芳野 極 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (30423338)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西原 遊 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (10397036)
平賀 岳彦 東京大学, 地震研究所, 准教授 (10444077)
太田 健二 東京工業大学, 理学院, 講師 (20727218)
久保 友明 九州大学, 理学研究院, 准教授 (40312540)
安東 淳一 広島大学, 理学研究科, 教授 (50291480)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 核－マントル境界 / 下部マントル / 熱伝導度 / レオロジー / 高圧実験 / 拡散 / 鉄 / ブリッジマナイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、核―マントルの相互作用と共進化の動的過程を高圧実験に基づいて解明することを目的としている。本年度は核・マントル物質中の熱の移動、拡散による元素移動の実験を推進し、本科研費で高エネルギー研究所PF-AR, NE7Aビームラインに下部マントル条件での変形実験を遂行するために必要なD111型ガイドブロックの導入を本年度末に行った。
今年度は本研究に関連した研究から、今後の研究の進展において鍵となる２本の論文がNature誌に掲載された。１つはコア条件下での六方最密充填構造の純鉄の電気抵抗率を測定したもので、得られた抵抗率からコアの熱伝導率の推定した結果、高いコアの熱伝導率を示唆し、内核の形成年代は非常に若いという結果が得られた。もう１つは下部マントル条件下での変形実験をKAT-D方式で行ったもので、下部マントルの主要鉱物であるブリッジマナイトの転移クリープによる選択配向の決定を行い、沈み込んだスラブの流動パターンの解明に成功した。
本年度末に高エネルギー研究所PF-AR, NE7AビームラインにD111型ガイドブロックを導入した。それに先立ち、同型のプレスが導入されているDobson博士の研究室を訪問し、新しく開発された超硬アンビルを用いて下部マントル条件下での変形実験が可能で有るかの試験テストを行った。最終的に、下部マントル圧力の発生に成功し、変形も確認された。同型のガイドブロックを用いて、大型プレスで実験を行うことにより、大容量の変形実験が可能で有ることが分かった。
核―マントル境界での鉄合金のマントル物質中への浸透実験を行い、フェロペリクレースへの浸透は確認されたが、ブリッジマナイトに対してはほとんど浸透は起きなかったことから、コアと珪酸塩マントル間で化学的な混合は起きないことが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本科研費で新しく開発から着手した下部マントル条件下での変形実験の研究は、初年度にD111ガイドブロックの開発、２年度目に高エネルギー研究所のPF-AR, NE7AビームラインD-DIA型プレスに設置、３年度目以降にこのシステムのテスト運用と有効性の確認、４年度目に系統的なデータの取得を計画しており、２年度目はに計画していたD111型ガイドブロックの導入を無事終えた。また、既存のD111ガイドブロックで、下部マントル条件での変形実験に成功している。さらに、既存のD-DIA型プレスに川井型セルを適用した実験で、下部マントル条件での変形にも成功しており、すでに成果が得られている。
熱伝導度測定とは別に鉄の電気伝導度測定により高温下での熱伝導度を見積もることに成功した。熱伝導度測定についても、DACセル内の試料をポンプレーザーで熱の擾乱を起こし、反対側のプローブレーザーで温度変化を観察する熱レフレクタンス法を開発し、いくつかの試料を高圧下で常温の測定に成功している。この方法を用いてより高温でのデータ取得の素地をすでに構築している。
CMBにおける物質、元素移動に関する研究については、親鉄元素の粒界拡散実験、溶融鉄合金の浸透実験の２つのプロジェクトにおいて予察的な結果が出ており、核―マントルの化学的相互作用の大枠の理解が進んでいる。
全体の研究の進展を考慮すると研究はおおむね順調に推移している。
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| Strategy for Future Research Activity |
地球中心核の研究として、純鉄及び鉄軽元素合金の熱伝導率の直接測定実験を高温高圧下において行っている。また、コアに含まれる軽元素の候補として水素に注目が集まっているため、鉄水素合金の高温高圧実験を行うための技術開発を進める。マントルに関する研究としては、下部マントルを主に構成するブリッジマナイトに対して、様々な化学組成、圧力、温度条件における熱伝導率測定を行い、マントルの熱輸送特性の解明を目指す。Natureの論文で熱伝導度測定と電気伝導度測定の間での不一致が報告されているので、鉄の電気伝導度測定も引き続き行い、熱伝導度測定と比較によりヴィーデマンフランツ則の高温高圧下での妥当性を考察する。
D-DIA装置を用いた高圧実験により地球の内核主要物質のhcp鉄のレオロジーを調べると同時に、2016年度に導入したD111型ガイドブロックによりD-DIA装置では困難だった18GPaを超える高圧下での変形実験によりhcp鉄のレオロジーの圧力効果を解明する研究を推進する。変形実験と並行して、多相の粒成長カイネティクスから粒界拡散係数を求め拡散クリープ粘性を推定も行う。MORB、ハルツバーガイト、パイロライト、コンドライト的な下部マントルなど物質によってどの程度の粘性コントラストが生じるか検討を行い、化学的不均質をもつ下部マントルの物質混合について考察する。また沈み込むスラブ物質の非平衡相転移や変形挙動に関する実験的研究も継続する。
核ーマントル境界における親鉄元素の珪酸塩鉱物中の粒界拡散実験をタングステン、レニウム以外の元素についても行う。また、還元的な環境では親鉄元素の拡散フラックスが微量のためEPMAで検出することは難しい。そこで、レーザーアブレーションICPMASSによる濃度測定プロファイルの取得を行う。還元的な環境においても拡散が起こっているかを検証する。
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[Presentation] Grain Growth of ε-Iron2016
Author(s)
D. Yamazaki, N. Tsujino, A. Yoneda, E. Ito, T. Yoshino, Y. Higo
Organizer
Goldschmidt 2016
Place of Presentation
パシフィコ横浜
Year and Date
2016-06-26 – 2016-07-01
Int'l Joint Research
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[Presentation] Grain Growth of ε-Iron2016
Author(s)
D. Yamazaki, N. Tsujino, A. Yoneda, E. Ito, T. Yoshino, Y. Higo
Organizer
日本地球惑星科学連合2016年大会
Place of Presentation
幕張メッセ国際会議場
Year and Date
2016-05-22 – 2016-05-26
Int'l Joint Research
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