下部マントル深さ～１０００ｋｍの粘性率異常の原因解明と化学組成の制約

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01173
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 山崎 大輔 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (90346693)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 米田 明 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (10262841) ; 芳野 極 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (30423338) ; 辻野 典秀 岡山大学, 惑星物質研究所, 助手 (20633093)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 高圧実験 / 粘性率 / 下部マントル / 変形組織

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、深さ~1000 kmの粘性率異常の原因を解明することである。最近のジオイド研究から、下部マントルの深さ1000km付近で粘性率が1-2桁増加することが指摘されている。一方で、地震学的研究において、沈み込んで行くスラブの滞留が、660 kmの下部マントル境界のみならずおおくの場合で1000 kmにあることが見て取れる。すなわち、1000 kmにおける粘性率増加が、マントル対流へ与える影響は660 km不連続面と同程度かそれ以上であること示している。従って、全マントルの運動を理解する上で、この1000 kmの粘性増加が何に起因しているのかを物質学的に明らかにすることは非常に重要な課題である。
下部マントルは主にブリッジマナイトとフェロペリクレースの2相混合岩石で構成されている。この2相では粘性率が数桁のオーダーで異なっており、複合岩石としての微細構造やそれぞれの相の量比が全岩の粘性率に影響を与える。すなわち、逆に、観測されている粘性率を与える量比を実験的に明らかにすれば、現在でも問題となっている下部マントルの組成(パイロライト的かコンドライト的か)については、新たな制約を与えることができる。
そのため、下部マントル条件を実験的に再現し、ブリッジマナイトとフェロペリクレースの2相混合岩石の粘性率に関する実験を行ってきている。特に、30年度は、2相混合岩石に大変形剪断歪みを与える実験の技術的開発を行い、100%以上の実験に成功した。また、開発した手法を放射光その場観察実験に応用し、変形場での応力その場測定を実施した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本課題により岡山大学惑星物質研究所で導入した変形実験装置を用いての下部マントル条件での実験は順調に行われている。現在のところ、100%程度の剪断歪みを与えることに成功している。また、この実験技術を用いて、高エネ研での変形その場観察実験においても、何回のビームタイムにおいて試行錯誤を行い、応力・歪みの関係を得るような実験を成功させるに至っている。これら「変形実験」の遂行という観点においては、すこぶる順調であると判断できる。一方で、拡散実験については、明らかな成果がまだ得られていないことから、全体としては概ね順調であると判断した。

Strategy for Future Research Activity

変形実験において、より大歪みを与えられるように技術開発を行い、今後の組織回復過程を観察するためのアニーリング実験を行っていく。また、大歪み実験の技術をその場X線観察実験にも応用し、歪みに対する応力依存性などの重要なデータを取得していく。さらに、拡散実験として、結晶粒のその場成長観察などを行い、フェロペリクレースのスピン転移の影響などを調査していく。

Research Products

• [Journal Article] Thermal expansion of natural mantle spinel using in situ synchrotron X-ray powder diffraction (2019)
  • Author(s): Yamamoto, J., Yoshino, T., Yamazaki, D., Higo, Y., Tange, Y., Torimoto, J.
  • Journal Title: J. Mater. Sci. Volume: 54 Pages: 139-148
  • DOI: doi.org/10.1007/s10853-018-2848-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal chemistry of Eu-bearing tuite synthesized at high-pressure and high-temperature conditions (2019)
  • Author(s): Zhai, S., Yang, H., Xue, W., Huang, E., Yamazaki, D., Morrison, S. M., Downs, R. T.
  • Journal Title: Phys. Chem. Miner. Volume: 46 Pages: 157-163
  • DOI: doi.org/10.1007/s00269-018-0994-6
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Negative activation volume of oxygen self-diffusion in forsterite (2018)
  • Author(s): Fei, H., Wiedenbeck, M., Sakamoto, N., Yurimoto, H., Yoshino, T., Yamazaki, D., Katsura, T.
  • Journal Title: Phys. Earth Planet. Inter. Volume: 275 Pages: 1-8
  • DOI: doi.org/10.1016/j-pepi.2017.12.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of silicon on viscosity of epsilon-iron (2018)
  • Author(s): Yamazaki, D
  • Organizer: JpGU
• [Presentation] ポストスピネルの剪断変形実験 (2018)
  • Author(s): 山崎大輔
  • Organizer: 第59回高圧討論会