揮発性成分が地球深部のマグマの粘度に与える影響

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21684032
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鈴木 昭夫 東北大学, 大学院・理学研究科, 准教授 (20281975)
• Keywords: マグマ / 水 / 二酸化炭素 / 高温高圧 / 放射光 / 粘度

Research Abstract

マグマの粘度は地球内部におけるマグマの移動をコントロールする.特にマグマではSi04やAl04のネットワークの連結の度合いが粘度に強く影響する.このネットワークはマグマの組成,温度,圧力および揮発性成分量で変わるため,様々な条件下で粘度を測定してこれらが粘度にどの様な影響を調べることは重要である.しかしながら,高圧力下での粘度測定は多くが2GPa以下の比較的低圧下で行われており,それ以上の圧力下についてはよく分かっていない.実験は高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の放射光実験施設PF-ARにあるNE7Aステーションで行った。ここには大型プレスMAX-IIIが殻置されており,本研究課題の予算で用意したX線ラジオグラフィー装置を取り付けることができる。本研究ではX線ラジオグラフィー落球法で粘度測定を行った。落球法とは、試料容器内に装填した金属球が液体中を落下する速度を測定して粘度を求める方法である。本研究では高圧セル内部の試料容器をX線ラジオグラフィー装置を用いて高温高圧下で「その場観察」しながら落球粘度測定を行った。この方法を用いると、従来の方法より低粘度の液体の測定が可能であり、本研究の対象である揮発性成分を含んだマグマの実験には最適の方法である。特に輝石の端成分であるNaAlSi206とCaMgSi206組成のメルトに着目し,これらに地球内部の揮発性成分として重要な二酸化炭素を加え,5GPaまでの圧力下で粘度測定を行った.本研究の結果,二酸化炭素の溶解による粘度減少が観察された.また,重合との違いによって粘度減少の程度が異なることが明らかとなった.これは,珪酸塩メルトの組成に応じて二酸化炭素の溶け込む形が異なり,構造に与える影響が異なるため粘度に違いが出たと考えられる.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

揮発性成分を加えたマグマ(珪酸塩メルト)の粘度測定は,技術的に困難であるため,殆ど行われてこなかったが,この科研費で用意したX線イメージング装置を用いることで,高圧高温下でのX線イメージング落球法による粘度測定が可能になった.

Strategy for Future Research Activity

上記のように技術的な問題は克服できたと考えているので,これから幅広い温度・圧力条件において揮発性成分を加えたマグマの粘度を測定する.実験は茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構のPF-AR NE7Aステーションにおいて行う.

Research Products

• [Journal Article] Density measurements of liquid Fe-S at high pressure using in-situ synchrotron sink/float method (2012)
  • Author(s): Nishida, K., Ohtani, E., Tateyama, R., Shibazaki, Y., Suzuki, A., Kikegawa, T.
  • Journal Title: Photon Factory Activity Report 2010 Volume: 28 Pages: 219
• [Journal Article] High-pressure decomposition reaction of albite under differential stresses (2012)
  • Author(s): Doi, N., Kato, T., Kubo, T., Noda, M., Shiraishi, R., Suzuki. A., Ohtani, E., Kikegawa, T.
  • Journal Title: Photon Factory Activity Report 2010 Volume: 28 Pages: 221
• [Journal Article] Rheology of fine-grained forsterite at high-pressure (2012)
  • Author(s): Nishihara, Y., Ohuchi, T., Kawazoe, T., Spengler, D., Tasaka, M., Hiraga, T., Kikegawa, Suzuki, A., Ohtani, E.
  • Journal Title: Photon Factory Activity Report 2010 Volume: 28 Pages: 236
• [Journal Article] Density measurements of liquid Fe-Si alloys at high pressure using the sink-float method (2011)
  • Author(s): Tateyama, R., Ohtani, E., Terasaki, H., Nishida, K., Shibazaki, Y., Suzuki, A., Kikegawa, T.
  • Journal Title: Physics and Chemistry of Minerals Volume: 38 Pages: 801-807
  • DOI: DOI:10.1007/s00269-011-0452-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deformation cubic anvil press and stress and strain measurements using monochromatic X-rays at high pressure and high temperature (2011)
  • Author(s): Shiraishi, R., Ohtani, E., Kubo, T., Doi, N., Suzuki, A., Shimojuku, A., Kato, T., Kikegawa, T.
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 31(3) Pages: 399-406
  • DOI: DOI:10.1080/08957959.2011.590481
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Density measurements of liquid FeS at high pressure using synchrotron X-ray absorption (2011)
  • Author(s): Nishida, K., Ohtani, E., Urakawa, S., Suzuki, A., Sakamaki, T., Terasaki, H., Katayama, Y.
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 96 Pages: 864-868
  • DOI: DOI:10.2138/am.2011.3616
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stability of Fe-Ni hydride after the reaction between Fe-Ni alloy and hydrous phase (δ-AlOOH) up to 1.2Mbar : Possibility of H contribution to the core density deficit (2011)
  • Author(s): Terasaki, H., Ohtani, E., Sakai, T., Kamada, S., Asanuma, H., Shibazaki, Y., Hirao, N., Sata, N., Ohishi, Y., Sakamaki, T., Suzuki, A., Funakoshi, K.-I.
  • Journal Title: Physics of the Earth and Planetary Interiors Volume: 194-195 Pages: 18-24
  • DOI: 10.1016/j.pepi.2012.01.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X線イメージングを用いた高圧下における鉄合金メルトの密度測定 (2011)
  • Author(s): 西田圭佑, 大谷栄治, 鈴木昭夫, 立山隆二, 寺崎英紀, 亀卦川卓美
  • Journal Title: PF研究会「放射光高圧研究における実験技術の新展開-マルチアンビル型高圧装置を中心に-」 Volume: 2011-10 Pages: 15-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 細粒カンラン石の高圧下でのレオロジー (2011)
  • Author(s): 西原遊, 大内智博, 川添貴章, Dirk Spengler, 田阪美樹, 平賀岳彦, 亀卦川卓美, 鈴木昭夫, 大谷栄治
  • Journal Title: PF研究会「放射光高圧研究における実験技術の新展開-マルチアンビル型高圧装置を中心に-」 Volume: 2011-10 Pages: 11-14
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phase relations and equation of state of Na_2CO_3 and K_2CO_3 to 30 GPa and 1400 K (2011)
  • Author(s): Shatskiy, A., Litasov, K., Sharygin, I., Suzuki, A., Ohtani, E.
  • Journal Title: SPring-8 User Experimental Report Volume: 2010B Pages: 1308
• [Presentation] Viscosity of carbon dioxide-bearing silicate melt at high pressure (2012)
  • Author(s): Suzuki, A.
  • Organizer: Joint Symposium of Misasa-2012 and Geofluid-2
  • Place of Presentation: Misasa, Japan
  • Year and Date: 2012-03-21
• [Presentation] Spin states of FeOOH at high pressure using x-ray emission spectroscopy and DFT calculations (2011)
  • Author(s): Mao, W.L., Gleason, A.E., Pentcheva, R., Otte, K., Suzuki, A.
  • Organizer: AGU 2011 Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2011-12-08
• [Presentation] Effect of pressure on rheology fine-grained forsterite aggregate (2011)
  • Author(s): Nishihara, Y., Ohuchi, T., Kawazoe, T., Spengler, D., Tasaka, M., Hiraga, T., Kikegawa, T., Suzuki, A., Ohtani, E.
  • Organizer: AGU 2011 Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2011-12-05
• [Presentation] Changes in flow strength induced by the decomposition of polycrystalline albite (2011)
  • Author(s): Doi, N., Kato, T., Kubo, T., Noda, M., Shiraishi Ohnuma, R., Suzuki, A., Ohtani, E., Kikegawa, T.
  • Organizer: AGU 2011 Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2011-12-05
• [Presentation] Carbon in planetary cores (2011)
  • Author(s): Ohtani E., Takahashi, S., Shimoyama, Y., Terasaki, H., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geosdence Union Meeting 2011
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2011-05-27
• [Presentation] Viscosity of CaMgSi2O6 liquid at high pressre revisited (2011)
  • Author(s): Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2011
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2011-05-23
• [Presentation] Pressure effect on excess molar volume of liquid Fe-S (2011)
  • Author(s): Nishida, K., Ohtani, E., Terasaki, H., Tateyama, R., Shibazaki, Y., Suzuki, A., Kikegawa, T.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2011
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
  • Year and Date: 2011-05-23