2017 Fiscal Year Annual Research Report
Effect of small amount of water on physical properties of mantle materials with implications for softening of asthenosphere
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17H01155
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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) |
米田 明 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (10262841)
山崎 大輔 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (90346693)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マントル / 水 / オリビン / 電気伝導度 / 地震波減衰 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マントル中の水は岩石の融点を下げるだけでなく、マントルの物性に多大な影響を与えるため、マントルの進化・ダイナミクスを考慮する上の鍵となる。しかしながら、どの程度の量の水が、どのようにマントルに分布しているかは未だに定量化することには成功していない。本研究計画は、微量な水を含むマントル鉱物中の水の物性への影響を、水の量、酸素雰囲気の関数として、弾性定数、減衰(Q値)、電気伝導度、熱起電力を高圧実験の手段によって決定し、地球物理学的な観測データと比較することにより、地球のマントルに存在する水の量と分布の定量化を行うことを目的とする。
本年度は、極微量なマントル鉱物中の水を測定するため、2月に全真空型フーリエ変換赤外分析装置を導入し、ppmレベルの水を検出することができるシステムを構築した。上部マントルで最も豊富に存在するオリビン中の水素配置の解明に向け、高圧その場IR実験を行った。水素の結合状態を高圧下でのその場IRスペクトル観察に世界で始めて成功し、FTIRスペクトルのバンドの波数の圧力依存性を発見した。含水フォルステライトの電気伝導度測定をSiO2バッファーして合成した含水試料とMgOバッファーして合成した含水試料について行った。オリビン中の水素が結晶サイトに束縛されないプロトンとして電荷を運ぶのか、陽イオンサイトの水素が移動することによって、相補的に陽イオンサイトの欠陥が電荷を運ぶのかを特定するのに有効であると考えられる熱起電力測定技術の開発を行った。試料に鉄を富むフェロペリクレース・ファヤライトに関しては、ゼーベック係数を測定することに成功した。
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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
本年度は、微量な水を測定することが可能な全真空型フーリエ変換赤外分光装置の導入を行った。含水フォルステライトの電気伝導度測定をフォルステライトをSiO2バッファーして合成した含水試料とMgOバッファーして合成した含水試料についての研究を計画通りに行った。オリビンの高圧相であるワズレアイトは水をより多く含み、含水ワズレアイトは高い電気伝導度を有することが知られており、水の移動を捉えやすいことからこの系で水素自己拡散実験を行い、電気伝導度の推定を行った。その結果、ネルンスト・アインシュタインの関係から電気伝導度を見積もったところ、既存の申請者が報告した電気伝導度とよく合うことが分かった。このことは、ワズレアイト中の水素のほとんどが電気伝導度に寄与していることを示唆する。DACと外熱加熱システムを用いて高圧力下でのその場赤外観察に成功し、OH基に由来した吸収スペクトルの圧力依存性を見出した。本研究課題で世界でも稀な高温高圧下での温度差を制御した熱起電力測定について、デュアル加熱系を構築することにより、試料の両端に制御された条件で温度差を生成することに成功した。当初の計画は着実に遂行していると評価することができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
新規導入した全真空型フーリエ変換赤外分光装置を用いて、高圧下におけるオリビンの水に関連した吸収スペクトルのその場観察を行う。本研究課題のメインの１つである電気伝導度測定は多様な水の量の試料について、様々な異なる化学環境に置いて引き続き測定を行っていく。本年度は地震波減衰への微量な水の影響に関する研究を開始しなかったので、次年度の後半には取り組むこととする。電気伝導度測定にも言えることであるが、高温での測定では試料の脱水が起きるため、信頼性の高いデータを取得することが難しくなるため、脱水を極力下げるためのセル構成の開発を行う。熱起電力測定は、本年度に確立されたデュアル加熱系統によるゼーベック係数の決定を含水系のシステムで可能にするための技術開発を行う。
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[Journal Article] Transverse acoustic phonon anomaly in iron-bearing magnesium oxide around spin-transition pressure2017
Author(s)
H. Fukui, A. Baron, D. Ishikawa, H. Uchiyama, Y. Ohishi, T. Tsuchiya, H. Kobayashi, T. Matsuzaki, T. Yoshino, T. Katsura
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Journal Title
Journal of Physics, Condensed Matter
Volume: 29
Pages: 245401
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Synthesis of boron-doped diamond and its application as a heating material in a multi-anvil high-pressure apparatus2017
Author(s)
L. Xie, A. Yoneda, T. Yoshino, D. Yamazaki, N. Tsujino, Y. Higo, Y. Tange, T. Irifune, T. Shinmei, E. Ito,
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Journal Title
Review of Scientific Instruments
Volume: 88
Pages: 93904
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Pressure generation to 65 GPa in Kawai-type multi-anvil apparatus with tungsten carbide anvils2017
Author(s)
T. Ishii, D. Yamazaki, N. Tsujino, F. Xu, Z. Liu, T. Kawazoe, T. Yamamoto, D. Druzbin, L. Wang, Y. Higo, Y. Tange, T. Yoshino, T. Katsura
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Journal Title
High Pressure Research
Volume: 37
Pages: 507-515
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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