Rheology in the Earth's inner core studied by high-pressure deformation experiments

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00723
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 西原 遊 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (10397036)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西 真之 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (10584120) ; 大内 智博 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (60570504)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 地球中心核 / hcp鉄 / 高温高圧変形実験 / レオロジー

Outline of Annual Research Achievements

地震波速度異方性の存在から、固体金属でできた地球の内核で大規模な流動変形が起こっていることが示唆されているが、内核での流動変形の実態は内核物質の物性の理解が不十分なためよくわかっていない。本研究では、内核の主要構成物質であるhcp鉄とその関連物質の変形実験と元素拡散実験によりhcp鉄のレオロジーをミクロな素過程から総合的に解明し、内核の異方的構造の形成メカニズムに迫ることを目指している。2019-2020年度には、高エネルギー加速器研究機構に設置されているD111型高圧変形実験装置および高輝度光科学研究センター(SPring-8)に設置されているD-DIA装置を用いた高温高圧変形その場観察実験を行ない、hcp鉄とその低圧相であるbcc鉄の流動則を定量的に明らかにし、2021年度は、本科研費によりSPring-8に導入されたD111型高圧変形装置を用いた実験方法の運用を軌道に乗せた。2022-2023年度は、これを用いてhcp鉄のレオロジーへの水素の影響に関する実験を進め、dhcp構造およびhcp構造の水素化鉄 (dhcp-FeHx) の流動則に関する結果を得た。より高水素濃度であるdhcp-FeHxはhcp構造の純鉄よりも軟らかいもののその応力値は同一条件下で0.5-0.7倍程度であった。また、より低水素濃度のhcp-FeHxはdhcp-FeHxとhcp鉄の中間的な応力を示した。これらの結果は、水素が内核の粘性率に与える影響は小さいことを示唆している。いっぽうで元素拡散実験では、鉄と鉄ニッケル合金のペアを試料として用いた高温高圧実験を水素飽和条件下で行い、鉄の拡散に与える水素の影響についての結果が得られている。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University College London(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University College London
• [Journal Article] Phase Relation and Equation of State of Iron‐Titanium Oxyhydroxides With α‐PbO₂ Type Crystal Structure at Deep Mantle Conditions (2024)
  • Author(s): Matsukage Kyoko N.、Nishihara Yu、Tange Yoshinori、Higo Yuji
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 129 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2023JB027906
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preliminary Results from the New Deformation Multi‐Anvil Press at the Photon Factory: Insight into the Creep Strength of Calcium Silicate Perovskite (2023)
  • Author(s): Thomson Andrew R.、Nishihara Yu、Yamazaki Daisuke、Tsujino Noriyoshi、Hunt Simon A.、Tsubokawa Yumiko、Matsukage Kyoko、Yoshino Takashi、Kubo Tomoaki、Dobson David P.
  • Journal Title: Core-Mantle Coevolution: A Multidisciplinary Approach, American Geophysical Union Volume: - Pages: 59～73
  • DOI: 10.1002/9781119526919.ch4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rheology of Hexagonal Close‐Packed (hcp) Iron (2023)
  • Author(s): Nishihara Yu、Doi Shunta、Tsujino Noriyoshi、Yamazaki Daisuke、Matsukage Kyoko N.、Tsubokawa Yumiko、Yoshino Takashi、Thomson Andrew R.、Higo Yuji、Tange Yoshinori
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 128 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2022JB026165
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability of hydrous SiO2 stishovite in the deep mantle (2023)
  • Author(s): Takaichi, G., Nishihara, Y., Matsukage, K.N., Nishi, M., Higo, Y., Tange, Y., Tsujino, N., Kakizawa, S.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental study on deformation microstructure of phase D at high temperature and high pressure and implication for seismic anisotropy in the mid-mantle (2023)
  • Author(s): Wu, W., Nishihara, Y., Tsujino, N.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of hydrogen on rheology of hcp-Fe (2023)
  • Author(s): Nishihara, Y., Wu, W., Kunimoto, T., Takaichi, G., Kubota, T., Tsujino, N., Kakizawa, S., Higo, Y.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Alを固溶したブリッジマナイトの最大含水量の温度依存性 (2023)
  • Author(s): 櫻井萌，辻野典秀，西原遊
  • Organizer: 第64回高圧討論会
• [Presentation] 一軸圧縮変形場における2段階のポストスピネル相転移実験 (2023)
  • Author(s): 後藤佑太，久保友明，本田陸人，柴崎裕樹，西原遊，肥後祐司，辻野典秀
  • Organizer: 第64回高圧討論会
• [Presentation] hcp-Feのレオロジーへの水素の影響 (2023)
  • Author(s): 西原遊，呉文天，國本健広，高市合流，久保田哲矢，辻野典秀，柿澤翔，肥後祐司
  • Organizer: 第64回高圧討論会
• [Presentation] 準安定オリビンのレオロジー (2023)
  • Author(s): 本田陸人，久保友明，辻野典秀，肥後祐司，柿澤翔，柴崎裕樹，西原遊
  • Organizer: 第64回高圧討論会
• [Presentation] Deformation experiments on NaNiF3 perovskite and post-perovskite (2023)
  • Author(s): 山崎大輔，生田大穣，ロウカヤン，リュウカオ，芳野極，辻野典秀，柿澤翔，肥後祐司，西原遊
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of hydrogen on rheology of hcp-Fe (2023)
  • Author(s): 西原遊，呉文天，國本健広，高市合流，久保田哲矢，辻野典秀，柿澤翔，肥後祐司
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The stability of hydrous SiO2 stishovite in the deep mantle (2023)
  • Author(s): 高市合流，西原遊，松影香子，西真之，肥後祐司，辻野典秀，柿澤翔
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Role of ferropericlase and akimotoite in rheological weakening of subducting slab across the upper and lower mantle boundary (2023)
  • Author(s): 後藤佑太，久保友明，本田陸人，柴崎裕樹，西原遊，肥後祐司，丹下慶範，宮原正明
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 地球中心の内核の粘性率を実験により制約
  • URL: https://research.ehime-u.ac.jp/post-ja/post-1253/
• [Remarks] Experimental constraints on inner core viscosity
  • URL: https://research.ehime-u.ac.jp/post-1250/