2018 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 | 水 / マントル / 地震波減衰 / 電気伝導度 / オリビン / アセノスフェア |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マントルに水が存在すると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ことが指摘されてきた。マントルの進化・ダイナミクスを考慮する上で水のマントルの物性への影響の理解は重要である。特にマントルの力学的に柔らかい部分であるアセノスフェアの軟化の成因における水がどのような役割を果たしているかは重要なトピックとなっている。しかしながら、どの程度の量の水が、どのようにマントルの物性へ影響しているかを特定することは簡単ではない。本研究では、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、極微量な水を含むマントル物質の物性測定を開始した。H-D相互拡散実験による水素自己拡散係数の決定を行い、オリビンの電気伝導度への水の影響の見積もりを行なった。含水フォルステライトの電気伝導度測定をSiO2バッファー化で合成した含水試料とMgOバッファーの環境で合成した含水試料について行った。本研究課題で導入した全真空型顕微赤外分光器を用いて合成オリビン試料の赤外吸収スペクトルから、SiO2バッファー試料とMgOバッファー試料のスペクトルは異なっており、SiO2バッファー試料はより低端数側にピークを持ち、水の量に対してより大きな依存性を持ち、電気伝導度の活性化エネルギーが大きくなることが分かった。このことから、マントル中の水を定量化するためには、バッファー環境を制御する必要があることが分かった。強制振動実験の放射光その場観察から、少量の水が存在するとフォルステライト多結晶体はより減衰する傾向が認められた。
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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
本年度は、昨年度に引き続き微量な水を含むオリビンを合成し、物性測定の開発および測定を多角的に行なってきている。
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さらに推進した。また、鉄を含む軽水素と重水素をドープした含水オリビン単結晶を用いて水素のH-D相互拡散実験を行い、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、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。微量の水は含水オリビン中の電気伝導度に寄与するがその影響は小さいことが分かった。
放射光施設のSPring-8で行なっている強制振動のその場観察実験では、含水試料と比較的無水の試料との弾性特性と減衰特性のデータを取得し始めており、計画通り研究は推移している。
本研究課題で開発する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、グラファイトやシリコンなどいくつかの導電性の高い物質に関してはゼーベック係数の測定に成功した。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 |
今後はゼーベック係数の測定による含水オリビンの電荷の移動機構の特定、地震波減衰、弾性定数への水の影響に関する実験を本格的に開始する。
電気伝導度測定は概ね完了したので、本課題で技術開発を行なっ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について測定を開始し、含水オリビンの電荷を運ぶ主要な核種を特定を目指す。熱電測定では、含水試料の脱水を避けるために通常使用される貴金属のジャケットが測定上の都合で使用できないため、脱水を減じる方策が必要となる。１つは脱水のほとんど起こらない低温での測定あるが、電気抵抗が高い試料では十分なシグナルを得られない可能性がある。そこで、抵抗を下げるために鉄の多い試料の測定が有効であることが期待されることから、鉄の量が多いオリビンの測定を行うことも考えている。
本年度の研究から、地震波減衰への微量な水の影響に関する研究で微量な水が減衰へ影響している予察的なデータを得たことから、来年度は粒径、温度、圧力を制御して測定を行う。また、放射光施設SPring-8の大容量プレス高圧ビームラインBL04B1では試料の超音波弾性波速度測定や変形実験もその場観察実験で可能であることから、それらの物性への水の影響も同時に調査する。これらの総合的なデータを取得することにより、微量な水のマントル物質への影響を明らかにし、地球物理学的観測データとの比較により、アセノスフェアの軟化の原因を解明していく。
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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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