2020 Fiscal Year Annual Research Report
下部マントルにおけるマグマの密度と地球深部分化過程の解明
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19H01985
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
鈴木 昭夫 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20281975)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | マグマ / マントル / 密度 / 状態方程式 / 放射光 / 量子ビーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球の上部マントルはカンラン岩でできており、これまで下部マントルは上部マントルと同様に鉄がFe2+であると考えられてきたが、近年の計算機シミュレーションや高温高圧実験などに基づく研究によって、下部マントルにはFe3+が多量に存在することが報告されている。また、我々がおこなった下部マントル条件でのFe3+を含むマントル組成の融解実験によって、下部マントルで発生するマグマはSiO2成分に乏しい超塩基性の組成になることを明らかにすることができた。これらの研究に基づいて本研究では、Fe3+を含むマグマ（ケイ酸塩メルト）の高温高圧下での密度測定に取り組んだ。密度測定にはダイヤモンドを使用した結晶浮沈法を採用した。これは我々が開発した方法で、試料中にダイヤモンドを入れておき、高圧下で加熱してマグマを作る。ダイヤモンドよりもマグマが低密度の場合はダイヤモンドはマグマ中を沈降し、逆にマグマが高密度の場合はダイヤモンドが浮上する。この実験を繰り返して、マグマとダイヤモンドの密度が等しくなる条件を探す方法である。この密度測定の実験結果に基づいてマグマの状態方程式を決定することにより、マグマを構成する各酸化物成分の部分モル体積などの情報が得られる。今年度取り組んだ実験の結果、4～18 GPaの圧力下でFe3+を含む超塩基性マグマの密度とFe2O3の部分モル体積を決定することができた。その結果、これまで分かっていた鉄がFe2+のマグマよりもFe3+のマグマの方が圧力による密度変化が大きいことが示された。
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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
本研究はドイツのバイエルン地球科学研究所およびドイツ電子シンクロトロン研究所に滞在して取り組む計画となっていたが、感染症の拡大に伴う渡航自粛などのためにドイツに渡ることを断念した。このため、代替措置として国内の施設で実験に取り組んだ。使用できる高圧セルのサイズや発生可能圧力などに違いはあるものの、現時点で可能な範囲で本研究を進捗させることができた。まず高圧セルに改良を加えて、これまでドイツで使用していた試料容器サイズに近づけることに成功した。本研究では容器中に入れたダイヤモンドが浮上・沈降できる充分なスペースを確保する必要があるため、試料容器サイズは極めて重要である。加えて、圧力発生装置部品も従来サイズよりも拡大したことで、より大型のセルを使用することができるようになった。装置が発生できる最大荷重に違いがあるためドイツで行う場合と完全に同じにすることはできないが、現時点で実施可能な最大限の範囲で研究に取り組むことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
もしも感染症の拡大状況が改善されれば、当初の計画通りにドイツのバイエルン地球科学研究所およびドイツ電子シンクロトロン研究所に滞在して実験に取り組む。もしも感染症の状況が改善されず、渡航自粛などの理由でドイツに渡ることができない場合には、今年度と同様に国内施設を利用する。これまでの実験結果を踏まえ、今後は超マフィックマグマに含まれる各成分の部分モル体積を高温高圧下で決定して、任意の組成での密度計算ができるようにすることを目指す。特にキンバーライトなどに含まれ、揮発性元素でもあるアルカリ元素に着目する。実験手法はこれまでどおり、主にダイヤモンドを用いた結晶浮沈法で密度を決定する。
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[Presentation] Pressure-induced structural change of basaltic glass up to 18 GPa2021
Author(s)
Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Hattori, T., Hisano, N., Abe, J. and Suzuki, A.
Organizer
JpGU Meeting 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] Longitudinal wave velocity of sodium aluminosilicate melt at high pressure2020
Author(s)
Sakamaki, T., Aoki, K., Ikeda, O., Katayama, H., Higo, Y. and Suzuki, A.
Organizer
Goldschmidt Virtual 2020
Int'l Joint Research
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[Presentation] High-pressure and -temperature experiments simulating the lunar KREEP layer and constraint on its water content2020
Author(s)
Muranushi, M., Kayama, M., Miyamoto, T., Kamada, S., Nagaoka, H and Suzuki, A.
Organizer
JpGU-AGU Joint Meeting 2020
Int'l Joint Research
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[Presentation] Effect of water on the structure of sodium silicate melts under pressure2020
Author(s)
Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Muranushi, M., Shito, C., Ikeda, O., Shibazaki, Y. and Suzuki, A.
Organizer
JpGU-AGU Joint Meeting 2020
Int'l Joint Research
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[Presentation] High-PT neutron diffraction experiments on guyanaite: Pressure-temperature dependence of hydrogen bonding in hydrous minerals2020
Author(s)
Shito, C., Kagi, H., Sano-Furukawa, A., Kakizawa, S., Komatsu, K., Aoki, K., Iizuka-Oku, R., Machida, S., Furukawa, N. and Suzuki, A.
Organizer
JpGU-AGU Joint Meeting 2020
Int'l Joint Research
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