2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Interaction and Coevolution of the Core and Mantle: Toward Integrated Deep Earth Science |
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15H05828
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
鈴木 昭夫 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20281975)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 徹 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (00291500)
舟越 賢一 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び東海事業センター(利用研究促進部)), 東海事業センター, 主任研究員 (30344394)
寺崎 英紀 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (50374898)
村上 元彦 東北大学, 理学研究科, 准教授 (50401542)
鍵 裕之 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70233666)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | マントル / 核 / 高圧 / 放射光 / マグマ / 元素循環 / 状態方程式 / ダイヤモンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
計画研究A01-2（構造物性班）では、地球深部条件において核とマントルを構成する物質の物性を測定し、またその物性の根源である構造を調べることが計画されている。さらに、他の計画研究と連携し、地球深部の元素循環プロセスや内部モデルの構築に寄与することになっている。
今年度の実績の概要を述べる。まず、核の物質については超音波法を用いてFe-Ni系メルトおよびFe-Ni-C系メルトの弾性波速度を測定することに成功した。また、Ｘ線吸収法により、Fe-FeO系メルトの密度を測定した。加えて、bcc構造の鉄に関して縦波と横波の速度を測定した。これら地球中心核を構成する候補物質の物性は、地震波などの地球物理観測によって得られる内部構造モデル（物理モデル）と対比することで、物質モデル（化学モデル）を構築することができる。
続いて、地球深部の元素循環、特に軽元素循環に関する研究成果としては、水を地球深部へと運びうる物質として、23 angstrom相と名付けた新たな高圧含水相を見いだした。これはAlを多く含み、沈み込むプレートで重要な含水相だと考えられる。また、lawsonite、含水wadsleyite、含水ringwooditeといった高圧含水相の状態方程式を決定した。さらに、水素に続いて重要な軽元素である炭素については、天然のダイヤモンド中に見られる包有物の鉱物学的研究を行った。また、硫黄を含む物質については、硫酸塩鉱物の相平衡実験をおこない、下部マントル中での安定性を議論した。
地球深部で生成するマグマについては、深部炭素循環とも関係があるK2CO3やMgCO3-SiO2系での融解実験をおこない、地球深部条件で生ずるマグマの組成変化などを明らかにした。これらマントル中に存在しうる結晶やマグマの物性、および地球深部での安定性などの研究から、地球内部での元素循環を考察することが出来る。
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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
初年度であったH27年度は、代表者･分担者それぞれが本研究課題の予算で実験設備を導入し、立ち上げることを計画していた。主要な設備備品はレーザー、超高温真空加熱炉、ラマン分光器であり、いずれも予定通りに設置されて立ち上げを開始した。今後はシステムとしてセットアップし、核マントル物質の高温高圧力実験に用いられる。また、J-PARC（中性子）およびKEK（放射光）の各施設において、その場観察実験をおこなうための装置類を整備し、予備的実験をおこなって次年度以降の準備を整えた。
実験では地球深部メルトの密度や弾性波速度の測定を開始し、徐々に成果が得られつつある。今後は温度･圧力･化学組成の範囲を拡大し、他班と連携して地球深部モデルや分化モデルに関する議論へと繋げることができる。また炭素を含む系での融解実験を下部マントル条件までの圧力下でおこない、マグマの組成変化を明らかにした。この研究に基づき、これから深部マグマの物性測定に取り組むことができるようになった。また、水素、炭素、硫黄といった地球深部で重要な揮発性元素を含む物質に関する研究も進めることができた。特に新しい含水相の発見や下部マントル構成物質の含水状態に関する研究は特筆すべき成果である。これにより、引き続き他の班と連携して地球深部の元素循環を考えるための基礎データを提供できるようになった。
地球中心核を構成する金属メルトに関する研究では、密度や弾性波速度の測定データが得られ始めている。今後は特に核の地震波速度構造を研究する観測班と連携し、実験値と観測値の対比によって、核中に含まれる軽元素の量と種類に制約を与えることが出来るであろう。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度に導入を予定している設備備品は電気炉であり、大阪大学に設置される。これはメルトの物性を常圧高温下で測定するための特別仕様となっており、特に金属メルトの物性測定に用いられる予定である。高温高圧力下でのデータは、常圧高温下でのデータと合わせて初めて温度･圧力依存性が確定し、地球深部条件へと適用することができる。しかしながら、地球中心核を構成する鉄ニッケル＋軽元素（C, O, Si, Sなど）系の液体については、常圧下での研究が充分進んでおらず我々自身で測定する必要が生じている。本研究によって得られる常圧から高圧力下の密度や弾性波速度といった物性値に基づき、主に地震波観測班の成果と合わせて内部物質モデルの確立に取り組む。
地球深部物質（固体）の弾性波速度測定については、ブリユアン散乱法やＸ線非弾性散乱法などを用いて高温高圧力下での実験を進める。この際、本研究で導入したラマン分光装置は結晶構造や熱力学パラメータの情報を得るのに役立つ。実験で得られる測定値、地球物理観測から得られる観測値、そして第一原理計算による計算値に基づいて地球深部の化学組成に制約を与えることができると考えられる。
地表付近からプレートの沈み込みに伴って地球深部へ運ばれた軽元素（H, C, O, N, Si, Sなど）は、核－マントル境界で核と反応すると考えられる。しかしながら、これら軽元素の輸送形態は今なお議論の対象となっている。これまでの我々の研究により、地球深部で安定な含水相や、それらの構造および物性に関する知見が蓄積されつつある。また、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩の高温高圧力下におけるデータも新たに加わりつつある。今後は元素循環や核－マントル反応の研究へと繋げていきたい。
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[Journal Article] Compressional and shear wave velocities for polycrystalline bcc-Fe up to 6.3 GPa and 800 K2016
Author(s)
Shibazaki, Y., Nishida, K., Higo, Y., Igarashi, M., Tahara, M., Sakamaki, T., Terasaki, H., Shimoyama, Y., Kuwabara, S., Takubo, Y., Ohtani, E.,
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Journal Title
American Mineralogist
Volume: 101
Pages: in press
Peer Reviewed
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[Journal Article] Density and Thermoelastic Properties of Liquid Fe-FeO at High Pressure2016
Author(s)
Takubo Y., Terasaki, H., Shimoyama, Y., Kuwabara, S., Urakawa, S., Kondo, T., Suzuki, A., Nishida, K., Ohtani, E., Watanuki, T., Katayama, Y.,
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Journal Title
SPring-8 Section A: Scientific Research Report
Volume: 4
Pages: 53-57
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[Journal Article] The K2CO3 fusion curve revisited: New experiments at high pressures up to 12 GPa.2016
Author(s)
Wang, M., Lin, Q., Inoue, T., Li, B., Yang, C., Tao, R., Pottish, S. and Wood, J.,
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Journal Title
Journal of Mineralogical and Petrological Sciences
Volume: 111
Pages: in press
Peer Reviewed
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[Journal Article] In situ observation of crystallographic preferred orientation of deforming olivine at high pressure and high temperature2015
Author(s)
Ohuchi, T., Nishihara, Y., Seto, Y., Kawazoe, T., Nishi, M., Maruyama, G., Hashimoto, M., Higo, Y., Funakoshi, K.-I., Suzuki, A., Kikegawa, T., Irifune, T.
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Journal Title
Physics of the Earth and Planetary Interiors
Volume: 243
Pages: 1-21
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Design and Performance of High-Pressure PLANET Beamline at Pulsed Neutron Source at J-PARC2015
Author(s)
Hattori, T., Sano-Furukawa, A., Arima, H., Komatsu, K., Yamada, A., Inamura, Y., Nakatani, T., Seto, Y., Nagai, T., Utsumi, W., Iitaka, T., Kagi, H., Katayama, Y., Inoue, T., Otomo, T., Suzuya, K., Kamiyama, T., Arai, M. and Yagi, T.,
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Journal Title
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A
Volume: 780
Pages: 55-67
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Comparative compressibility of hydrous wadsleyite and ringwoodite: Effect of H2O and implications for detecting water in the transition zone.2015
Author(s)
Chang, Y.-Y., Jacobsen, S.D., Bina, C.R., Thomas, S.-M., Smyth, J.R., Frost, D.J., Boffa-Ballaran, T., McCammon, C.A., Hauri, E.H., Inoue, T., Yurimoto, H., Meng, Y. and Dera, P.,
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Journal Title
Journal of Geophysical Research Solid Earth
Volume: 120
Pages: 8259-8280
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Dislocation-accommodated grain boundary sliding as the major deformation mechanism of olivine in the Earth’s upper mantle2015
Author(s)
Ohuchi, T., Kawazoe, T., Higo, Y., Funakoshi, K., Suzuki, A., Kikegawa, T. and Irifune, T.,
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Journal Title
Science Advances
Volume: 1
Pages: e1500360
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Experimental study on the stability of a high-pressure polymorph of topaz-OH2016
Author(s)
Abe, R., Suzuki, A., Shibazaki, Y., Ozawa, S., Ohira, I. and Ohtani, E.
Organizer
Water Dymanics-13
Place of Presentation
Sendai, Japan
Year and Date
2016-03-15
Int'l Joint Research
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[Presentation] The effects of pressure and alloying Ni and C on sound velocity of liquid Fe-alloys2015
Author(s)
Terasaki, H., Kuwabara, S., Nishida, K., Shimoyama, Y., Takubo, Y., Higo, Y., Shibazaki, Y., Urakawa, S. and Kondo, T.
Organizer
American Geophysical Union 2015 Fall meeting
Place of Presentation
San Francisco, USA
Year and Date
2015-12-14
Int'l Joint Research
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[Presentation] Thermal elastic properties of liquid Fe-C at high pressure2015
Author(s)
Shimoyama, Y., Terasaki, H., Urakawa, S., Takubo, Y., Watanuki, T., Katayama, Y. and Kondo, T.
Organizer
American Geophysical Union 2015 Fall meeting
Place of Presentation
San Francisco, USA
Year and Date
2015-12-14
Int'l Joint Research
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[Presentation] 超音波法を用いた高温高圧下での固体鉄の弾性波速度・密度測定2015
Author(s)
柴崎 裕樹, 西田 圭佑, 肥後 祐司, 五十嵐 愛子, 田原 政紀, 坂巻 竜也, 寺崎 英紀, 下山 裕太, 田窪 勇作, 桑原 荘馬, 大谷 栄治
Organizer
第56回高圧討論会
Place of Presentation
広島県広島市
Year and Date
2015-11-11
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[Presentation] Density measurement of indium using X-ray imaging absorption combined with external heated diamond anvil cell2015
Author(s)
Terasaki, H., Shimoyama, Y., Takubo, Y., Kuwabara, S., Nishida, K., Higo, Y., Urakawa, S., Kishimoto, S., Shibazaki, Y., Sakamaki, T., Tahara, M., Igarashi, M., Watanuki, T., Machida, A., Tange, Y., Katayama, Y. and Kondo, T.
Organizer
Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53
Place of Presentation
Madrid, Spain
Year and Date
2015-08-30
Int'l Joint Research
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[Presentation] The stability and water solubility of possible Al-bearing high pressure hydrous and nominally anhydrous minerals in the mantle2015
Author(s)
Inoue, T., Kakizawa, S., Cai, N., Fujino, K., Kuribayashi, T., Nagase, T., Greaux, S., Higo, Y., Sakamoto, N. and Yurimoto, H.
Organizer
Goldschmidt2015
Place of Presentation
Prague, Czech Republic
Year and Date
2015-08-16
Int'l Joint Research
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