Density of magmas under high pressure and differentiation of the Earth's deep interior

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01985
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Suzuki Akio 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20281975)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: magma / silicate melt / mantle / high pressure / density / partial molar volume

Outline of Final Research Achievements

Magmas are generated in the Earth's interior and is transported by the density difference with its surroundings. Therefore, the measurement of the density of magmas under high pressure is essential to know the process of differentiation of the Earth. In this study, we focus on the effect of volatile elements and the oxidation state on the density silicate melts (magmas). We measured the densities of Fe3+-bearing silicate melt and determined the partial molar volume of Fe2O3 in magmas under high pressure. We found that Fe2O3 in magmas is very compressible compared to FeO. We also determined a P-V-T equation of state of water in silicate melts. By using the results of our study, we estimated that magmas formed by the melting under hydrous and oxidized conditions at the lower mantle moves upward and stagnated at the top of the lower mantle.

Free Research Field

量子ビーム地球科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マグマは地球内部で岩石が融けて発生し、地表へと噴出するものがあるが、それは周囲の岩石よりもマグマの密度が小さいためである。一方、地震波などの観測により、周囲との密度平衡によって噴出しない「隠れた」マグマの存在が示唆されている。マグマには所謂不適合元素が取りこまれ、マグマが移動することによって地球内部は分化が進む。高温高圧力下でのマグマの密度は、マグマの移動を左右する極めて重要な物理量である。本研究は、地球深部に存在するマグマの密度を測定すると共に、密度計算に必要な部分モル体積と状態方程式を決定した。本研究の成果は、地球の分化を考える際に不可欠となる情報を提供したことに学術的意義がある。