2021 Fiscal Year Research-status Report
A study of electrical conductivity of molten rock
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20K04129
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤田 清士 大阪大学, 工学研究科, 教授 (00283862)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐久間 博 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (20400426)
芳野 極 岡山大学, 惑星物質研究所, 教授 (30423338)
市來 雅啓 東北大学, 理学研究科, 助教 (80359182)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 電気伝導度 / 玄武岩 / マルチアンビル / ピストンシリンダー / インピーダンスアナライザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、室内実験により、任意の温度圧力条件下で含水鉱物・含水岩石を溶融させることにより、その物理条件下における状態を電気伝導度変化として捉えることを試みる。室内実験の結果を、理論計算から推算された電気伝導度と比較を行い、MT法のような電磁気観測から得られた電気伝導度構造解析結果などと直接対比することにより、データの相互検証が可能になる。火山体下やプレート発生領域の溶融温度近傍を電気伝導度の視点から捉えることが本研究の特徴である。
2021年度は、玄武岩質岩石を高温高圧下で、電気伝導度測定する事に注力した。実験では、溶融状態を想定して電気伝導度測定を行った。試料は、玄武岩の主要組成を合成をした物と富士山麓から採取した玄武岩のシュミラントを使用した。実験結果からは試料の温度依存性と圧力依存性を確認することができた。
理論的な電気伝導度推算のために、ニューラルネットワーク解析を利用した。本年度は既存のプログラムを他の言語に移植し、推算の精度を向上させた。その結果、酸化鉄や酸化チタンなどの物質が岩石全体の電気伝導度に与える影響を定量的に評価できる成果を得た。
本研究では、導電性鉱物の挙動解明やネットワークの連結など電気伝導メカニズムを精査する。研究では、実験値と理論計算を相互に検証する計画であるため、従来の“手探り”の実験から大幅に進化した研究を行うことができる。2021年度から2022年度にかけては、様々な電気伝導度測定実験をおこない、計算機シミュレーションから電気伝導度の推算を推進する。
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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
2020-2021年度はコロナウィルス感染拡大により、共同利用施設である岡山大学惑星物質研究所との往来が制限された。しかしながら、本年度は、試料合成や予備的な実験をすることが可能になり、玄武岩組成の試料の高温・高圧実験をマルチアンビル・ピストンシリンダー型圧力発生装置を用いて遂行した。玄武岩質試料の電気伝導度測定実験は無水の状態で行った。様々な温度・圧力条件下での試料の電気伝導度測定実験を遂行した。電気伝導度測定には、インピーダンスアナライザーを使用した。2021年度は実験回数を増やし、絶縁材料・単結晶材料のカプセルの特性などを精査した。特に、高温高圧下での試料と周囲のカプセルとの反応性に留意した。実験結果からは試料の温度依存性と圧力依存性を確認することができた。
理論的な電気伝導度推算のために、ニューラルネットワーク解析を利用した。本年度は既存のプログラムを他の言語に移植し、推算の精度を向上させた。その結果、酸化鉄や酸化チタンなどの物質が岩石全体の電気伝導度に与える影響を定量的に評価できる成果を得た。又、推算に用いるティーチングデータの選別や、高温領域での多成分系酸化物の電気伝導度を推定することが可能になった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度も高温・高圧実験を行い、その電気伝導度データを解析すると同時に、『溶融温度』・『ガラス転移点』の状態のモデル化及びシミュレーションも行う。申請者らは、ガラス転移点及び溶融点のある温度条件以上では、電気伝導度が変化するポイント（電気伝導度からみた相転移）が存在し、他の物理量では見られない詳細な変化を捉える事が可能であると考えている。電気伝導度測定結果のデータベースをもとに、分子動力学計算及び第一原理計算結果との比較から岩石・鉱物の電気伝導メカニズムを解明することを予定している。
電気伝導メカニズム解明において、プロトン伝導を考慮する場合は第一原理計算、イオン伝導を考える場合は古典計算など、状況により計算方法を選択する。2021年度はニューラルネットワーク解析を駆使して、各種の酸化物が試料全体の電気伝導度に与える影響などを推算することが可能になった。
最終的には、岩石・鉱物内部の伝導経路のメカニズムが明らかになり、電気伝導度がどのように変化するかを実験と理論から解明することを目指す。
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| Causes of Carryover |
2021年度もコロナウィルス感染拡大が続いており、研究打ち合わせ、学会、共同利用の研究施設へ移動する旅費が計画より下回ったため、2022年度の予算と合わせて電気伝導度測定実験に用いる絶縁材料や単結晶カプセルなどを追加購入して、執行予定である。
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