2017 Fiscal Year Annual Research Report
マントル鉱物におけるOH欠陥：先端ＮＭＲ分光法と第一原理計算による徹底解明
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17H01174
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
薛 献宇 岡山大学, 惑星物質研究所, 教授 (70362986)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神崎 正美 岡山大学, 惑星物質研究所, 教授 (90234153)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 鉱物構造 / 水 / 欠陥 / 高圧 / 分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
代表的な上部マントル構成鉱物であるpyroxene, garnet における水の溶解機構の解明に向けて、NMR測定、ラマン測定、第一原理計算などを行なった。
Low-Ca pyroxene はolivine に次いで、上部マントルに２番目に多い鉱物である。これまでの赤外分光法による研究では、複数のOH 伸縮バンドが報告されたが、解釈に不確かさが残っている。今回は7 - 14 GPa, 1200°Cにおいて水を含むMgSiO3 enstatiteを合成し、1H MAS, 29Si MAS, 1H-29Si CPMAS NMR測定及び第一原理計算を行なった。その結果、水の存在状態は、圧力に従い系統的に変化し、7 GPaでは、主に2Hが1Mgを置換する様式であるのに対して、より高圧では、4Hが1Siを置換する様式の割合が増えることがわかった。また、後者では、かなり水素結合の強い水素サイトも含む。そのOH 伸縮振動周波数は、これまで報告された赤外吸収スペクトルの範囲外（2800 cm-1 より低周波数）になると予想され、赤外吸収法測定ではOH の一部しか観測されていなかった可能性がある。
ガーネットについては、Siを含むhydrogrossular及びCa3Al2(H4O4)3 katoite を 水熱合成装置(1 kbar)で合成し、同様なNMR測定及び第一原理計算により、水素は4Hが1Si を置換するという形で存在することが確認できた。また、天然grossular 鉱物のIR スペクトル（OH 伸縮振動領域）はkatoite と異なった、様々なパターンを示すことが知られている。その起因は、まだ解明されていない。今回は微量なOHを含む天然grossular も同様な手法で調べた結果、同様な4Hによる1Si の置換で説明できることがわかった。
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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
今回は多核NMR分光法測定、ラマン測定及び第一原理計算を組み合わせることにより、今まで解釈が不確かな赤外吸収による上部マントル鉱物におけるOHの存在状態を解明することができた。また、赤外吸収スペクトルのバンドの解釈にも制約を与えることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、さらに構造解釈に制約を与える他のNMR測定法、特に1H CRAMPS法や２次元NMR測定法も行い、より詳細な構造情報の知見を得る。また、測定対象も、より天然鉱物に近い組成(e.g. Al, Tiを含む）の鉱物、及び他の主要マントル鉱物(e.g. majorite, ringwoodite)に拡張する。
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| Remarks |
共同研究相手：Prof. Dr. Charles A. Geiger
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Research Products
(4 results)
