2016 Fiscal Year Annual Research Report
新しい含水高圧相Phase Hの安定性と下部マントル領域での水の挙動
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15H05469
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
西 真之 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (10584120)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 含水相 / マントル / 核 / 水素 / マルチアンビル装置 / ダイヤモンドアンビルセル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
含水鉱物に取り込まれた水は、沈み込むプレートにより地球深部に運ばれる。近年の理論計算と高圧実験により発見されたCaCl2型含水鉱物群は、下部マントルに相当する温度圧力条件で安定化されるため、地球の中心核付近へ水を供給する可能性が指摘されている。当該年度は、マルチアンビル型装置と放射光Ｘ線を用いた多成分系含水実験を行った。高温高圧下での体積データと回収試料の化学組成分析から、下部マントルにおけるCaCl2型含水鉱物の重要成分であるFeOOHとAlOOH、MgSiOOHが広い組成範囲で固溶体を形成することが明らかとなった。また、高温高圧下の精密な体積測定により、鉄を含むCaCl2型含水鉱物は50万気圧で鉄のスピン転移が起こることが示唆された。この反応によりFeOOH端成分では約10％程度の体積減少が測定された。
ダイヤモンドアンビルセルを用いた実験により、FeOOH組成とAlOOH組成が共にパイライト型(に近い)構造へ相転移することを確認した。特にパイライト型FeOOHの発見は、水素の検出の難しさと、先行研究との不整合により、その証明は困難を伴ったが、精密な実験と共同研究者による理論計算を組み合わせることにより、確かなものであるという確証が得られた。本研究結果は、最近報告されたFeOOHからFeO2+H2への分解と異なるものであり、高圧物質科学における新たな知見が得られた。本研究成果は地球深部の水素と酸素の循環モデルに影響する。
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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
マルチアンビル型装置の高圧発生技術開発に関して、60万気圧を超える含水系の実験に成功し、圧力発生領域は拡張されたが、未だ当初目標としていた100万気圧までには到達していない。しかしながら、マルチアンビル高圧発生装置だけでなくダイヤモンドアンビルセルを相補的に使用することで、下部マントルにおける含水鉱物の化学組成や、その高圧相に関しての新たな知見が得られた。特にパイライト型FeOOHの発見は、水素の検出の難しさと、先行研究との不整合により、その証明に困難を要したが、精密な実験と共同研究者による理論計算を組み合わせることにより確かなものであるという確証が得られた。以上のことから、全体として当初の予定どおり順調に研究が進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
パイライト型含水鉱物の発見は地球以外の天体内部の水の存在形態に関する情報を提供する可能性がある。例えば氷惑星は水が主成分であり、その内部構造は、氷のマントルと岩石質の中心核からなるとされている。しかしながら、これらの氷惑星内部においても、温度と圧力の条件次第では、水素が含水鉱物として保存されるかもしれない。また、近年の観測技術の発展により次々と報告されている太陽系外惑星のスーパーアースにも、地球と同じく含水鉱物の沈み込みによるマントル深部への水の輸送が起こるかもしれない。上記のような研究背景をもとに、本年度はパイライト型含水鉱物のさらに高圧相転移に関する研究を開始する。申請者が発見したパイライト型AlOOHやFeOOHといった物質の高圧相転移を直接観察するような超高圧発生は現在の実験技術では難しい。したがって、アナログ物質としてInOOHを使用する。InOOHは20万気圧程度でパイライト型構造をとるため、100万気圧以下の条件で高圧相転移する可能性がある。InOOHの新構造が発見された場合、AlOOHやFeOOHの高圧相転移を理論計算により議論する。上記すべての実験は放射光施設SPring8で行う。同時に本年度はマルチアンビル装置を用いた実験にナノ多結晶ダイヤモンド(NPD)を新たに導入し、圧力領域の拡張を目指すとともに多成分系でのパイライト型含水鉱物を合成する。
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