2021 Fiscal Year Annual Research Report
地球内部における含水マグマの構造と挙動の総合的理解
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20J22919
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
大橋 智典 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 含水マグマ / 高温高圧 / X線回折 / 中性子回折 / 第一原理計算 / 分子動力学計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、高圧力下における含水マグマの構造物性の解明と理解に焦点を当てている。特に、常圧～約6万気圧（深さ約180km）の圧力では、マグマは化学組成と含水量によって多様な圧縮挙動を示すと期待される。しかし、肝心の水素位置を決定できる中性子回折実験で含水マグマの構造を調べた報告はない事を踏まえ、約6万気圧までの高温高圧その場X線・中性子回折実験と第一原理計算を行い、含水マグマの圧力誘起構造変化と化学組成に対するその多様性の解明を目指している。
2021年度は、含水Na珪酸塩マグマの高温高圧その場放射光XRD・NDの実験データを取得し、昨年度までに不足していた圧力のデータを得た。特に、ND実験については達成圧力を約5万気圧にまで伸ばし、XRD実験とFPMDのデータの圧力範囲をカバーする事に成功した。無水Na珪酸塩ガラスのNDデータ(構造因子)や異なる温度・圧力条件での含水マグマのNDデータを比較すると、一致すると見込まれる波数領域の振動は互いによく一致していた。これは、得られたNDデータがアーティファクトによって汚されず、試料の原子構造を十分反映していることを示す。その一方で、低波数領域の振動は圧力や水の有無によって異なり、それらに依存して含水マグマの構造が変化していることを示唆する。
また、実験と並行してFPMDとその結果の解析も進めた。具体的には、(1)2020年度までに得た構造データの解析、(2)一部の温度・圧力条件におけるマグマ中の各原子種の拡散係数のばらつきの見積もり、(3)NDデータと同じ温度・圧力下での液体の水の構造計算、を実施している。また、数値計算の専門家からのコメントも受け、一部の温度・圧力において、化学種を絞った(含水酸化ナトリウム、含水珪酸液体) より確からしい結果のためのFPMD実施も検討中である。本研究の成果は、2022年夏頃に国際誌に投稿予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度までに、約5-7万気圧までの高圧力における複数組成の含水Naケイ酸塩マグマ(無水含む)の構造をＸ線回折・中性子回折・第一原理計算によって得られ、構造決定のためのデータはすべて得た。しかし、今まで扱ってきた組成の第一原理計算をより詳細に行うことに注力したため、昨年度予定していたNa/Si比の異なるNaケイ酸塩についての密度、相関係、および水の溶解度の決定は未だに行えていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度までは、高温高圧その場放射光X線回折(XRD)・中性子回折(ND)の実験と第一原理分子動力学計算(FPMD)を駆使して達成圧力を伸ばし、約5-7万気圧までの含水Na珪酸塩マグマの構造データを取得した。昨年度の計画ではNa2O/SiO2比の異なる含水マグマのFPMDや高温高圧相平衡実験を予定していた。しかし、FPMDは原子数の少ない系を取り扱うので、より詳細で、より確からしい計算結果を得るために、これまで研究してきた化学組成(Na6Si8O19-H2O)について、構造決定のみならず、新たに計算を行う必要性が生じた。よって2022年度では、下記の目的を設定する(1,2は2021年度に開始)。
(1)マグマ中の各原子種の拡散係数のばらつきの推定
(2)NDデータと同じ温度・圧力下での液体の水の構造計算
(3)化学種を絞った(含水Na2O、含水SiO2液体)FPMD
(4)これまでで得たデータの解析と論文投稿
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