マントル流体の高温高圧実験を目指した圧力スケールの構築

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K13901
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鈴木 昭夫 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20281975)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: マントル / 流体 / 放射光 / 圧力スケール / ラマン分光

Outline of Annual Research Achievements

地球内部には炭素，水素，酸素(C-H-O)といった揮発性の軽元素を主成分とする流体が存在している．このような流体は岩石の融点を下げてマグマをできやすくするほか，様々な元素を溶かし込んで移動するため地球内部の化学進化に極めて重要な役割を担っている．この流体が地球内部でどの様な性質を持つのかを実験で調べる際には，どの深さに対応するのかを知るため圧力を精確に決定する必要がある．高温高圧力下における流体の研究には，ダイヤモンドアンビルセルが広く用いられてきた．しかしながら，これまでの方法では，加熱に伴って試料室の体積が変わらないなどの仮定を含んでおり，問題があった．また，適用範囲も地殻下部に相当する圧力までであり，より深いマントルでの実験には用いることができなかった．本研究では，炭素の同位体(13C)でできたダイヤモンドのラマンスペクトルが，温度と圧力に応じて変化することを利用し，マントル深部まで適用可能な圧力スケールを構築することを目的としている．今年度はマルチアンビル型高圧発生装置を使用し，炭素同位体でできたダイヤモンドの合成実験を試みた．実験後に回収した試料のラマンスペクトルとX線回折パターンを取得して，他の同位体(12C)を含まず，かつ結晶度の良い13Cダイヤモンドが得られたことを確認した．この13Cダイヤモンドを12Cダイヤモンドでできたダイヤモンドアンビルセルの試料室に装填し，レーザーを照射してラマンスペクトルを測定した．12Cと13Cのダイヤモンドは，それぞれラマン散乱の周波数が異なるため，両者を明瞭に区別することができた．さらに，温度と圧力を変化させて上部マントル深部の圧力までラマンスペクトルを得ることに成功した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画どおり，13C炭素同位体のみでできたダイヤモンドを合成して，高温高圧力下においてラマンスペクトルを測定することができた．まず13Cダイヤモンド合成では，13Cアモルファスカーボンを原料として，川井型マルチアンビル高圧発生装置を使用して20GPaの圧力下で, 1700℃に加熱した．これを常温常圧下に回収して，試料のラマンスペクトルを測定するとともに，粉末X線回折パターンを取得して生成物が13C同位体のみのダイヤモンドであることを確認した．また，ラマンスペクトル，X線回折パターンともにシャープであり，良好な結晶度であることを確認することができた．これを12Cダイヤモンドでできた外熱式ダイヤモンドアンビルセル中に装填して高温高圧実験を行った．その結果，13Cダイヤモンドのラマンスペクトルが温度と圧力の変化に応じて変化し，上部マントル深部の圧力である13GPaまで12Cダイヤモンドのラマンスペクトルと重なること無く測定できることを示すことができた．さらに，揮発性元素を含む高圧相について高温高圧実験を行った．試料のX線回折パターンを取得して，その安定領域を解明すると共に状態方程式を決定することができ，地球深部における揮発性元素の挙動について，新たな知見が得られた．

Strategy for Future Research Activity

外熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いた実験では，安定した温度・圧力を保持する必要がある．また，本研究の目的のためにはセル内には均一な温度場を実現しなくてはならない．このため，今後新型の外熱式ダイヤモンドアンビルセルを導入し，実験技術の改良をおこなう．このセルを使用して，試料室に装填した13Cダイヤモンドのラマンスペクトルの測定精度および圧力の決定精度を上げるとともに，温度・圧力範囲を拡大して13Cダイヤモンド圧力スケールを構築する．さらに，このスケールおよび高温高圧発生技術を応用してマントル中の流体（フルイド）に関する実験を行う．特に関心のあるのは粘度で，マントル流体の粘度測定を落球法または転下球法でおこなう．この際には金や白金といった金属および炭化物や窒化物できでた球を試料室に装填して，これらが流体中でどの様な速度で移動するのかを測定する．粘度測定に必要な高速カメラなどの周辺機器は，これまでの研究で用いてきたものを使用できるため，実験の準備は整っている．本研究および今後の研究では流体の物性測定を通じて地球深部における流体の挙動を明らかにしたいと考えているので，本研究の成果を学会で発表し，論文にまとめると共に，次年度以降の科学研究費補助金を申請して研究の推進に努める．

Causes of Carryover

申請額と比べて配分額が大幅に減額されたため，主要物品であるダイヤモンドアンビルセルおよびダイヤモンドなどの購入を控え，研究協力者から借用して実験するなど経費節減に努めた．また，他に必要な物品や旅費などについても運営費交付金を充てるなどして，本研究予算からの支出をできるだけ抑えるように努めた．

Expenditure Plan for Carryover Budget

実験を進める上でダイヤモンドなどの消耗は避けられない．既に発注済みなので，納品され次第実験に使用する．この他，実験にはガスなどの消耗品が必要で，また成果報告のための学会出張および論文投稿を計画している．このため，全研究期間では配分された額を研究経過に沿って支出する見込みである．

Research Products

• [Int'l Joint Research] カーネギー地球物理研究所(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カーネギー地球物理研究所
• [Journal Article] Stability field of phase Egg, AlSiO3OH, at high pressure and high temperature: a possible water reservoir in mantle transition zone (2017)
  • Author(s): Fukuyama, K., Ohtani, E., Shibazaki, Y., Kagi, H. and Suzuki, A.,
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: 112 Pages: 31-35
  • DOI: 10.2465/jmps.160719e
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thermal equation of state of goethite (α-FeOOH) (2017)
  • Author(s): Suzuki, A.
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1080/08957959.2017.130193
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Towards a consensus on the pressure and composition dependence of sound velocity in the liquid Fe-S system (2016)
  • Author(s): Nishida, K., Suzuki, A., Terasaki, H., Shibazaki, Y., Higo, Y., Kuwabara, S., Shimoyama, Y., Sakurai, M., Ushioda, M., Takahashi, E., Kikegawa, T., Wakabayashi, D. and Funamori, N.
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 257 Pages: 230-239
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2016.06.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preface for the article collection “High-Pressure Earth and Planetary Science in the last and next decade” (2016)
  • Author(s): Sakamaki, T., Suzuki, A. and Mysen, B.
  • Journal Title: Progress in Earth and Planetary Science Volume: 3 Pages: －
  • DOI: 10.1186/s40645-016-0114-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure-volume-temperature equation of state of ε-FeOOH to 11 GPa and 700 K (2016)
  • Author(s): Suzuki, A.
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: 111 Pages: 420-424
  • DOI: 10.2465/jmps.160719c
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] In situ deformation experiments on coesite using synchrotron X-ray (2017)
  • Author(s): Doi, S., Nishihara, Y., Goto, H., IIzuka, R., Suzuki, A., and Kikegawa, T.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-22 – 2017-05-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Viscosity of CO2-bearing sodium aluminosilicate melt at high pressure (2017)
  • Author(s): Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-21 – 2017-05-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability and thermos-elastic properties of iron oxide hydroxide: water transportation in the Earth's interior (2017)
  • Author(s): Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-21 – 2017-05-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Partitioning of sulfur beween basaltic magma and Fe-FeS liquid (2017)
  • Author(s): Horioka, Y., Kamada, S., Ozawa, S., Maeda, F., Satish-Kumar, M. and Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-21 – 2017-05-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase relation of Fe-FeSi system at 10 GPa: Application to the Mercury core (2017)
  • Author(s): Tobe, H., Shibazaki, Y., Sakamaki, T., Hiroi, Y., Abe, R. and Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-21 – 2017-05-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental investigation into the cause of a high attenuation zone of the lunar seismic waves: A possible partialy molten layer at the lowest lunar mantle (2017)
  • Author(s): Igarashi, M., Shibazaki, Y., Shiraishi, R., Sakamaki, T. and Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-21 – 2017-05-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Light elements in the core based on elemental partitioning experiments between Fe-S melts and silicate magma (2017)
  • Author(s): Watanabe, K., Kamada, S., Ozawa, S., Suzuki, A. and Bass, J.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-20 – 2017-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The sound velocity measurements of FeO at high pressure and temperature: Implications for the low velocity anomaly around the core-mantle boundary (2017)
  • Author(s): Tanaka, R., Sakamaki, T., Fuukui, H., Ohtani, E., Kamada, S., Sato, S., Tsutsui, T., Uchiyama, Y., Baron, AQR. and Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-20 – 2017-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In situ X-ray diffraction studies of hydrous aluminosilicate at high pressure and temperature (2017)
  • Author(s): Abe, R., Shibazaki, Y., Ozawa, S., Ohira, I., Tobe, H. and Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-20 – 2017-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure phase transitions of MgCO3 under the lower mantle conditions (2017)
  • Author(s): Maeda, F., Kamada, S., Sakamaki, T., Hirao, N., Ohishi, Y. and Suzuki, A.,
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2017-05-20 – 2017-05-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 低粘性流体の落球法による粘性測定（X線顕微鏡・イメージング） (2017)
  • Author(s): 鈴木昭夫
  • Organizer: 大容量プレス新ビームライン建設に向けたワークショップ
  • Place of Presentation: 兵庫県佐用郡佐用町
  • Year and Date: 2017-02-10 – 2017-02-10
  • Invited
• [Presentation] Water transport to the lowermost mangle driven by δ-AlOOH-phase H (MgSiO4H2) solid solution (2016)
  • Author(s): Ohira, I., Ohtani, E., Kamada, S., Hirao, N. and Suzuki, A.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2016-12-14 – 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity and density of FeO at high pressure and temperature (2016)
  • Author(s): Tanaka, R., Sakamaki, T., Fukui, H., Ohtani, E., Kamada, S., Sato, S., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron, A.Q.R. and Suzuki, A.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2016
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2016-12-14 – 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] KEKでの大容量プレスを用いた高圧変形実験 (2016)
  • Author(s): 西原遊，久保友明，芳野極，大内智博，山崎大輔，鈴木昭夫
  • Organizer: 第57回高圧討論会
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-10-28 – 2016-10-28
• [Presentation] 20 GPaまでのFe-S系メルトの音速測定 (2016)
  • Author(s): 西田圭佑，柴崎裕樹，戸邉宙，阿部涼太，若林大佑，船守展正，寺﨑英紀，肥後祐司，鈴木昭夫
  • Organizer: 第57回高圧討論会
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-10-28 – 2016-10-28
• [Presentation] fcc-Feの弾性波速度に対する水素の効果 (2016)
  • Author(s): 柴崎裕樹，西田圭佑，戸邉宙，阿部涼太，鈴木昭夫，寺﨑英紀，下山裕太，黒川冬華，肥後祐司，亀卦川卓美
  • Organizer: 第57回高圧討論会
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-26
• [Presentation] 高圧下におけるFeOの音速測定 (2016)
  • Author(s): 田中遼介，坂巻竜也，福井宏之，大谷栄治，鎌田誠司，筒井智嗣，内山裕士，BARON Alfred. Q.R.，鈴木昭夫
  • Organizer: 第57回高圧討論会
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-26
• [Presentation] 回転式粘度測定装置 (2016)
  • Author(s): 鈴木昭夫
  • Organizer: 第57回高圧討論会
  • Place of Presentation: 茨城県つくば市
  • Year and Date: 2016-10-26 – 2016-10-26
• [Presentation] Stability of high-pressure polymorph of topaz-OH (2016)
  • Author(s): Abe, R., Suzuki, A., Shibazaki, Y., Ozawa, S., Ohira, I. and Ohtani, E.
  • Organizer: The 54th European High Pressure Research Group (EHPRG) International Meeting on High Pressure Science and Technology
  • Place of Presentation: Bayreuth, Germany
  • Year and Date: 2016-09-09 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X-ray diffraction study of FeOOH under high pressures and high temperatures (2016)
  • Author(s): Suzuki, A.
  • Organizer: The 54th European High Pressure Research Group (EHPRG) International Meeting on High Pressure Science and Technology
  • Place of Presentation: Bayreuth, Germany
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase relations of CuBr under high pressure and temperature (2016)
  • Author(s): Ohtaka, O., Morimoto, A., Yoshiasa, A., Tobase, T., Nakatsuka, A., Kikegawa, T., Suzuki, A., Arima, H. and Saitoh, H.
  • Organizer: The 54th European High Pressure Research Group (EHPRG) International Meeting on High Pressure Science and Technology
  • Place of Presentation: Bayreuth, Germany
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The existence of a density maximum in fluid tin tetraiodide (2016)
  • Author(s): Fuchizaki, K., Suzuki, A., Nishida, K., Saitoh, H. and Hamaya, N.
  • Organizer: The 54th European High Pressure Research Group (EHPRG) International Meeting on High Pressure Science and Technology
  • Place of Presentation: Bayreuth, Germany
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sound velocity Fe3S at high pressure and high temperature based on inelastic X-ray scattering (2016)
  • Author(s): Kamada, S., Sakairi, T., Sakamaki, T., Ohtani, E., Terasaki, H., Fukui, H., Baron, A.Q.R., Suzuki, A., Uchiyama, H. and Tsutsui, S.
  • Organizer: apan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2016-05-23 – 2016-05-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The stability of Topaz-OH II in the mantle transition zone (2016)
  • Author(s): Abe, R., Suzuki, A., Shibazaki, Y., Ozawa, S., Ohira, I. and Ohtani, E.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2016-05-23 – 2016-05-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Technical development and improvement for sound velocity measurements of liquid Fe-S up to 15 GPa using ultrasonic pulse-echo method (2016)
  • Author(s): Nishida, K., Suzuki, A., Shibazaki, Y., Wakabayashi, D. and Funamori, N.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2016-05-23 – 2016-05-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transportation of hydrogen by iron oxide-hydroxide in the Earth’s interior (2016)
  • Author(s): Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2016-05-23 – 2016-05-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability fields of phase egg under high pressure and high temperature: Possibility of phase Egg as a water reservoir in mantle transition zone (2016)
  • Author(s): Fukuyama, K., Ohtani, E., Shibazaki, Y., Ozawa, S. and Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2016-05-23 – 2016-05-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Viscosity of basaltic magma at high pressure (2016)
  • Author(s): Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2016
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2016-05-23 – 2016-05-23
  • Int'l Joint Research