2019 Fiscal Year Annual Research Report
地球マントルー中心核境界および氷惑星深部における水の挙動
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19H01994
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
西 真之 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (10584120)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土屋 旬 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (00527608)
桑山 靖弘 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (00554015)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 地球・惑星内部構造 / 含水鉱物 / マントル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水は地表だけでなく惑星の内部構造やその進化に多大な影響を及ぼしていると考えられる。近年、下部マントルの温度圧力条件下において熱力学的に安定な含水鉱物が複数見つかり、これらがマントル最深部へ水を供給する可能性が示された。本研究では、マントルー中心核境界に運ばれた水の挙動を明らかにすることを目的として、含水鉱物と中心核構成物質である金属鉄との化学反応を、高温高圧実験に基づきの解明することである。
当該年度ではマルチアンビル装置を用い、下部マントル上部に相当する25万気圧―50万気圧の圧力下で含水鉱物δ-AlOOHと金属鉄の反応実験を行った。含水鉱物と鉄間には金マーカーを設置し、回収試料の金の位置から反応帯成長を律速する移動元素を特定した。また、反応帯成長速度および、その温度依存性を決定し、核―マントルの温度圧力条件に外挿計算した結果、水と鉄の相互作用はキロメートル規模におよぶと推定された。さらに、ダイヤモンドアインビルセルと放射光X線を用いて、120万気圧の水と鉄の化学反応を時分割X線回折測定した。得られたデータは現在解析中であるが、マルチアンビルによる50万気圧までの実験と概ね整合的な結果が得られている。
本研究では、並行して、地球以外の大型の惑星内部においても普遍的に存在可能な新含水鉱物の発見を目指した高温高圧実験を行っている。前課題において、水酸化アルミニウム(delta-AlOOH)が190万気圧で結晶構造が変化し、この新相は少なくとも270万気圧まで熱力学的に安定であることを見出した。本年度はこの新相の構造を決定するとともに、新相をεAlOOHと名付け国際誌で発表した。
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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
マルチアンビルを用いた鉄と含水鉱物の反応実験に関しては、これまでに既に50万気圧までのデータが得られており、今後データ点数を増やすことで精密に反応成長の温度圧力依存性が決定されることが期待される。これまでの実験では、含水鉱物として水酸化アルミニウム(AlOOH組成)を主に用いているが、より現実的な系として含水パイロライト等の多成分系の実験を開始している。また、現在放射光施設SPring8のマルチアンビル実験システムに２次元X線回折検出器を導入中であり、今後上記反応実験に関してその場観察法を適用する予定である。ダイヤモンドアンビルセルを用いた水―鉄の反応実験は既にデータ取得は完了しており、データを解析するとともに論文として執筆中である。
地球より大型の惑星内部に普遍的に存在可能な超高圧型含水鉱物の発見を目指した実験に関しては、アナログ物質であるInOOHについてその高圧相と思われるX線回折パターンの取得に成功している。ただし、結晶構造の決定には至っておらず、今後の課題となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでのマルチアンビル装置を用いた実験により、鉄―含水鉱物間の反応帯形成成長速度の温度圧力依存性が決定されつつある。ただし、多成分系の地球マントルで上記データを用いた外挿計算が成立するかは検証が必要である。実験手法は大まかに確立したので、今後多成分試料を用いた実験によりデータを増やす予定である。さらに次年度からは放射光を用いた時分割X線回折測定が可能となるため、上記反応速度を決定する新たなデータが得られることが期待される。放射光を用いた実験が成功しない場合においても、手間はかかるが急冷回収実験を多く行うことで同様のデータを得ることは可能である。今後は実験を行いつつ、目標達成に最適な方法を効率よく選択することが重要であると考えている。
既にある程度の実験結果が得られているので、本研究の最大目標である地球惑星内部の水循環モデルの構築を次年度の最優先事項とする。核―マントル境界の温度圧力条件および地質学的時間スケールへの外挿計算を行うとともに、新たに出版されている多くの関連研究を調べ、学会や論文を通して外部へ発表する予定である。特に核―マントル境界の地震学的特徴との関連性は、地球深部科学にとって非常に重要な知見となる。
地球外惑星を想定した超高圧型含水相の発見を目指した実験に関しては、InOOHについて確認したX線回折パターンの変化を解析し、新相の構造を解明する。ただし、今年度はより大きな進展が期待できる反応帯形成実験・水循環モデルの構築を優先する。
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