2018 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, 准教授 (20727218)
久保 友明 九州大学, 理学研究院, 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 | 熱伝導 / 電気伝導度 / 拡散 / レオロジー / 変形実験 / 高圧 / マントル / 核 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱・物質輸送過程の観点から地球深部物質の物性測定の研究を推進し、今年度は以下のような成果が得られた。外核の熱伝導率を検証するために、マルチアンビル装置を用いて溶融状態の鉄の電気伝導度測定の開発を行ない、15GPaまでの測定が可能となった。DACを用いた研究では、内核の熱伝導率と熱流の異方性の有無を検証するために、内核の主要構成相であるhcp鉄の熱伝導率異方性の測定を行った。その結果、hcp鉄には45 GPaで約3倍程度の熱伝導率異方性が存在することがわかった。また、外核に含まれる軽元素候補の一つである水素が鉄の電気伝導度に与える影響を高温高圧実験により初めて明らかにした。（Mg,Fe）Oは下部マントル中で様々な組成で存在していると考えられている。本研究では組成の異なる(Mg,Fe)Oの格子熱伝導率の測定を高圧下で行い、(Mg,Fe)Oの格子熱伝導率の組成依存性を明らかにした。
KEK, NE7Aに導入したD111型ガイドブロックを用いた高圧変形実験では、hcp鉄の高温高圧変形その場観察を行なった。圧力17-23GPa、温度423-873Kで行なった歪速度ステップ、温度ステップ、圧力ステップ実験により、この条件でのhcp鉄の流動則を決定した。約700K以上の高温では、純金属のべき乗則クリープで一般的な5に近い応力指数の値が得られた。これは地球内核の粘性率を解明するための足掛かりとなる。また、せん断変形場でMg2SiO4のオリビンースピネル相転移実験、NaNiF3のペロフスカイトのポストペロフスカイト相への相転移機構を明らかにする研究を開始した。パイロライト物質に加えMORBについても下部マントルにおける粒径進化を検討し、MORBはパイロライトよりも細粒になることから、粘性に違いが出る可能性が示唆された。
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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
これまでに下部マントル、核それぞれの構成物質の電気・熱伝導特性を高温高圧実験によって調査してきた。特に地球深部物質の電気・熱物性の圧力、組成依存性に関しては昨年度までに多くの業績を得ている。残された課題であった溶融状態における鉄の電気伝導度度測定手法の開発に成功し、実際の溶融している外核の熱伝導率を見積もりが可能となりつつある。また、ダイヤモンドアンビルセルを用いた研究においても、さらに高圧かつ高温条件下での電気・熱伝導率測定手法の開発により、実際の地球深部条件での測定が可能となったことが2018年度の最大の成果として挙げられる。
核ーマントル境界における相互作用の研究では、境界部における外核の溶融物質が下部マントル岩石中への浸透実験から大規模な親鉄元素の付加が起こらないことを実験的に検証し、マントルの強親鉄元素の存在度が高くするためにはレイトビニアが重要であることが示唆された。
本課題の2年度目に高エネ研に導入したD111型ガイドブロックを用いて高温高圧変形実験が進められてきている。ビームタイムに制限があるものの、当初の計画どおり、研究は順調に推移しており、これを用いた実験によりhcp鉄のレオロジーが明らかになりつつある。この装置を用いて高圧下での変形場における相転移カイネティクスおよび軟化現象を捉える実験でも予察的な結果が出始めている。
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 |
最終年度である今年度は、核-マントルを通じた熱輸送過程を総合的に解釈する。溶融鉄の電気伝導度測定に加えて軽元素の溶融鉄合金への効果も調査し、外核の熱伝導率を電気伝導度測定に基づいて制約する。また、ダイヤモンドアンビルセルを用いて高温高圧下における下部マントル鉱物の熱伝導率測定に注力する。下部マントル主要構成鉱物のブリッジマナイト、ポストペロブスカイト、フェロペリクレース、CaSiO3ペロフスカイトの熱伝導率測定を下部マントル全域の温度圧力条件で行い、新たな下部マントル熱伝導率モデルを提案する。これにより、地球内部の統合的な熱進化モデルを構築する。
D111型ガイドブロックによる高圧下での変形実験を推進し、hcp鉄のレオロジーの温度効果、圧力効果を解明することを目指す。D-111型の高圧変形装置を用いて相転移誘起の軟化現象に関する実験を進め、上下マントル境界付近のスラブの変形について検討する。NaNiF3のポストペロフスカイト相転移実験を進め、温度圧力差応力条件によるトポタキシーの有無を明らかにし、D”層の地震波異方性と流れ場の関係について検討する。また下部マントル物質を用いた多相粒成長カイネティクスに基づき、下部マントルにおけるかんらん岩と玄武岩の粘性コントラストを検討する。これらの研究結果を統合して、下部マントルにおけるペリドタイトとMORBの分離過程を考察し、下部マントルに予想されている地球化学的なリザーバーが保持されている理由を含めてマントルダイナミクスを考察する。
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[Journal Article] High pressure generation in the Kawai-type multianvil apparatus equipped with tungsten carbide anvils and sintered diamond anvils and X-ray observation on CaSnO3 and (Mg,Fe)SiO32019
Author(s)
D. Yamazaki, E. Ito, T. Yoshino, N. Tsujino, A. Yoneda, H. Gomi, Jaseem V., M. Sakurai, Y. Zhang, Y. Higo, Y. Tange
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Journal Title
Comptes Rendus Geoscience
Volume: 351
Pages: 253-259
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Composition and pressure dependence of lattice thermal conductivity of (Mg,Fe)O solid solutions2019
Author(s)
Hasegawa, A., Ohta, K., Yagi, T., Hirose, K., Okuda, Y., Kondo, T
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Journal Title
Comptes Rendus Geoscience
Volume: 351
Pages: 229-235
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] An experimental examination of thermal conductivity anisotropy inツ?hcpiron2018
Author(s)
Ohta, K., Nishihara, Y., Satoh, Y., Hirose, K., Yagi, T., Kawaguchi, S., Hirao, N., Ohishi, Y.
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Journal Title
Frontiers in Earth Science
Volume: 6
Pages: 176
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Anisotropic thermal conductivity of hcp iron and the implications for the Earth’s inner core2018
Author(s)
Ohta, K., Nishihara, Y., Sato, Y., Hirose, K., Yagi, T., Kawaguchi, S., Hirao, N., Ohishi, Y
Organizer
JpGU2018
Int'l Joint Research
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[Presentation] Defomation microstructures of subducted slabs in the lower mantle2018
Author(s)
Azuma, S., Nomura, R., Uesugi, K., Nishihara, Y., Doi, S., Arimoto, T. and Irifune, T.
Organizer
AGU 2018 Fall Meeting
Int'l Joint Research
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[Presentation] Spin state and physical properties of (Fe,Al)-bearing bridgmanite2018
Author(s)
Okuda, Y., Ohta, K., Sinmyo, R., Hirose, K., Ohishi, Y.
Organizer
AGU 2018 Fall Meeting
Int'l Joint Research
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[Presentation] Anomalous behavior of the compressibility and thermal conductivity of Fe-Al-bearing bridgmanite2018
Author(s)
Okuda, Y., Ohta, K., Sinmyo, R., Yagi, T., Ohishi Y., Hirose, K.
Organizer
Goldschmidt conference
Int'l Joint Research
