2021 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental study on syn-deformational reaction processes at high pressures: Implications for slab weakening and deep earthquakes
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18H05232
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
久保 友明 九州大学, 理学研究院, 教授 (40312540)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
肥後 祐司 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (10423435)
鈴木 昭夫 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20281975)
坪川 祐美子 九州大学, 理学研究院, 助教 (40824280)
金嶋 聰 九州大学, 理学研究院, 教授 (80202018)
宮原 正明 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (90400241)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 地球内部物質 / 相転移 / 変形破壊 / 高温高圧 / 放射光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までに独自に確立したD-DIA型およびD-111型高圧変形装置による下部マントル最上部条件までの定量的な放射光変形実験とAE測定手法を駆使し、変形と相転移の相互作用現象をその場観察から明らかにすることで、深部プレートの変形局所化、せん断不安定化、軟化現象を考察した。具体的にはD-DIA型装置を用いて10GPa付近までのせん断変形場で、Fe2SiO4のオリビン－スピネル相転移、輝石-ガーネット相転移、ローソナイトおよびグロコフェーンの脱水および分解反応にともなう変形挙動とAE活動を検討した。稍深発地震発生領域の玄武岩領域において、ドライ環境下でもせん断不安定化が起こる可能性を見出し、投稿論文を作成中である。またD-111型装置を用いて一軸変形場で、(Mg,Fe)2SiO4のオリビン－スピネルおよびポストスピネル、輝石の多様な高圧相転移を検討した。その中で、深発地震発生領域の圧力20GPaにおいてオリビン－スピネル相転移によりnano shear bandが形成され、せん断不安定化が起こるプロセスを見出した。またポストスピネル相転移で超塑性変形が起こることを実証し、下部マントルスラブの軟化現象を考察した。ともに投稿論文を作成中である。これら変形実験研究に加え、回収試料の電子顕微鏡観察、衝撃変成隕石に見られる相転移組織の観察、地震波形解析によるスラブ周辺の不連続面の微細構造観測などを相補的に進め、多様な変形ー相転移プロセスの理解とその深部スラブダイナミクスへの適用を考察を進めた。また変形-相転移の相互作用現象以外についても、特に深部スラブのレオロジーに対する化学的不均質成分の影響を明らかにするため、遷移層高圧含水鉱物の脱水と無水鉱物レオロジーへの影響、深部海洋地殻玄武岩および深部花崗岩物質のレオロジーなどについて実験研究を開始している。
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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
D-111型高圧変形装置一式の九州大学への導入が遅れたが2020年度までにその遅れを取り戻し、それに装着できる8端子のD-111型AE測定システムも独自に開発し順調に稼働している。D-DIAに装着するMA6-6型AE測定システム、D-111型に装着するKMA型AE測定システムともに同程度の精度で震源決定を行えるようになり、放射光施設Photon FactoryおよびSPring-8の高圧実験ビームラインへのそれらシステムの導入も2021年度までにほぼ完了した。これによりマントル遷移層条件で放射光とAE測定システムを用いた定量的な変形相転移実験をほぼルーチンに行うことが可能となり、マントルオリビン相転移と変形との相互作用について直接的な実験研究を遂行できている。実験回収試料および衝撃変成隕石の変形相転移組織の電子顕微鏡観察結果をもとに考察することで、遷移層スラブの軟化と深発地震の発生に関連した相転移と変形が相互作用した複雑なプロセスについて、これまでにない新しい結果が得られている。また水や玄武岩、花崗岩といった化学的不均質成分がスラブレオロジーに与える影響も新たに検討を開始している。これまで遷移層スラブの軟化と深発地震発生の謎については低圧下でアナログ物質の結果をもとに議論されてきたが、本研究で実験技術を発展させて直接的な実験研究を行い、また衝撃変成隕石やスラブ地震学の新たな視点を取り入れることで、世界に先駆けた新しい成果が得られている。それらの成果の論文執筆が急務であるが、実験研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに得られた成果について論文執筆を早急に進める。D111型装置を用いた(Mg,Fe)2SiO4のオリビンースピネル相転移については、本研究で見出した20GPa条件でのnano shear band形成プロセスが、深発地震が発生する全領域の圧力で起こりうるのか、13-23GPaへ圧力範囲を広げて検討する。アナログ物質を用いた過去研究では不安定スベリの要因としてnano shear band 形成に加えアンチクラックモデルも提案されている。遷移層圧力領域でアンチクラックが形成されるのかどうか、nano shear bandとアンチクラックの形成条件の違いやその深発地震発生との関連について検討する。またD111型装置を用いたポストスピネル相転移研究については、実験室で実証された相転移に伴う超塑性現象がスラブ条件下でも起こりうるのか、アキモトアイト+ペリクレイスを含む2段階のポストスピネル相転移カイネティクスも考慮して検討する。また超塑性現象がどの程度長続きするのか、パイロライトの多相粒成長の結果をもとに検討する。かんらん岩層の第2主要鉱物である輝石の相転移とせん断不安定化、および高圧含水層の脱水と遷移層鉱物の軟化について、引き続き実験を続ける。さらに海洋地殻玄武岩レイヤーで起こる稍深発地震発生に関連して、含水ガブロおよびドライエクロガイトで起こりうる反応誘起のせん断不安定化の可能性を引き続き実験的に検討するとともに、海洋地殻物質の遷移層から下部マントルにおける強度変化をガーネタイトの変形実験から検討する。一方で、D-DIA型装置と放射光挿入光源を組み合わせた実験研究が今年度から可能になる。本研究の実験技術をサブ秒オーダーの放射光時分割測定と組み合わせることで、変形速度のステップ実験を行って高圧断層スベリの安定性を明らかにする新しい実験手法の検討を開始する。
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Research Products
(20 results)
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[Journal Article] Preliminary results from the New Deformation multi-anvil press at the Photon Factory: insight into the creep strength of calcium silicate perovskite2022
Author(s)
Thomson, Andrew; Nishihara, Yu; Yamazaki, Daisuke; Tsujino, Noriyoshi; Hunt, Simon; Tsubokawa, Yumiko; Matsukage, Kyoko; Yoshino, Takashi; Kubo, Tomoaki; Dobson, David
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Journal Title
Core-Mantle Coevolution: A Multidisciplinary approach (AGU Geophysical Monograph Series)
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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