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2023 Fiscal Year Annual Research Report

最下部マントル物質の粘性率の決定

Research Project

Project/Area Number 22H00180
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

山崎 大輔  岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (90346693)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 辻野 典秀  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, テニュアトラック研究員 (20633093)
芳野 極  岡山大学, 惑星物質研究所, 教授 (30423338)
坂本 直哉  北海道大学, 創成研究機構, 准教授 (30466429)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2027-03-31
Keywords粘性率 / マントル最下部層
Outline of Annual Research Achievements

マントル最下部には、いわゆる大規模低速度構造という地震波速度構造の異常が観測されている。一方で、地震波速度のような弾性的な情報ではなく、粘性率という塑性的な情報として、マントル最下部での多様性も指摘されている。そこで、本研究では、マントル最下部を構成している物質の粘性率を調査することにより、マントル最下部の粘性率構造との照合を可能とし、大規模低速度構造の原因に関して新たな制約を与えることを目的としている。
マントル最下部は、ケイ酸塩ペロフスカイト(端成分は、MgSiO3)であるブリッジマナイトとその高圧相(低温相)であるポストペロフスカイトで構成されている。このポストペロフスカイトは、120 GPa以上の高圧下のみで安定である。そのようなポストペロフスカイトの粘性率を実験的に決定することが本研究の鍵となる。そこで、高圧実験技術を発展させケイ酸塩ポストペロフスカイトを対象にすることと、結晶構造が類似しているアナログ物質を用いて粘性を含めたレオロジーを詳細に研究するという2つのアプローチで研究してきている。
前者においては、高圧実験の遂行において必要となる圧力定点の決定に目処が付いてきた。具体的には、Fe2O3の電気抵抗変化と圧力の関係を明らかにした。これにより、30 GPa以上での圧力値を研究室に設置している高圧装置において知ることが可能となり、より発生での粘性実験を進展させられる。後者においては、NaNiF3を用いた研究を行ってきており、変形実験と拡散実験から粘性率を決定する。変形実験については、ほぼ必要なデータの取得は完了している。その結果としては、ペロフスカイトとポストペロフスカイトで粘性に大きな相違はないこと、ポストペロフスカイトで結晶格子の選択配向の影響は小さいことが分かった。また、拡散実験のため、数百ミクロンの単結晶ポストペロフスカイトの合成が可能なってきた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

NaNiF3ペロフスカイトおよびポストペロフスカイトについて変形実験を行った。計算機による先行研究において、ポストペロフスカイトは拡散において強い結晶方位依存性があることが報告されている。そこで、結晶方位により粘性率に違いが生じるかどうかを確認する実験を行った。実験は、選択配向を観測しつつ、変形実験における機械的データを取得するということで、放射光によるX線高温高圧その場観察手法を用いた。これまでの結果と合わせることで、ポストペロフスカイトとペロフスカイトの粘性率差、また、ポストペロフスカイトの粘性率への結晶方位依存性が明らかになりつつある。また、より詳細に結晶方位依存性を検討するための拡散実験に必要な単結晶合成も可能となってきている。さらに、前述したようにケイ酸塩での実験に向けての準備も整いつつある。

Strategy for Future Research Activity

アナログ物質を用いた変形実験に関して、選択配向に関する一部のデータを除き、大体のデータ取得はなされたと考えられる。そこで、今後は、より詳細に粘性率の結晶方位依存性を調査すべく、単結晶を用いた拡散実験に注力していく。このことに関して、昨年度は単結晶合成法の開発を行ってきた。その結果、現在では、長軸1 mm、短軸0.2 mm程度の単結晶の合成が可能となってきている。このサイズでも拡散実験および分析は可能であるが、より精度の高いデータを取得するために、短軸0.6 mm程度の合成を行い、拡散実験を行う。拡散実験自体は、昨年度立ち上げた薄膜形成装置が有効に機能すると期待できる。
拡散実験は、温度圧力保持時間が長く、時間制限のある放射光実験は適していない。そこで、これまで圧力定点として約30 GPa程度であった圧力を、~60 GPaまで拡大したことは、放射光を用いること無くより高圧での定量性の高い実験を可能とすることであり、拡散実験を進めていく上で鍵となる。今後は、より安定して高温高圧を発生できるように技術開発を行い、ポストペロフスカイトの拡散実験を遂行していく。

  • Research Products

    (16 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 10 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] University Collage of London(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      University Collage of London
  • [Int'l Joint Research] Zhejiang University(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Zhejiang University
  • [Journal Article] Pressure dependence of metal-silicate partitioning explains the mantle phosphorus abundance2024

    • Author(s)
      Ikuta Nagi、Sakamoto Naoya、Tagawa Shoh、Hirose Kei、Tsutsumi Yutaro、Yokoo Shunpei、Yurimoto Hisayoshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 14 Pages: -

    • DOI

      10.1038/s41598-024-51662-y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A thermally conductive Martian core and implications for its dynamo cessation2024

    • Author(s)
      Hsieh Wen-Pin、Deschamps Frederic、Tsao Yi-Chi、Yoshino Takashi、Lin Jung-Fu
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 10 Pages: -

    • DOI

      10.1126/sciadv.adk1087

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Wetting property of Fe‐S melt in solid core: Implication for the core crystallization process in planetesimals2024

    • Author(s)
      Matsubara Shiori、Terasaki Hidenori、Yoshino Takashi、Urakawa Satoru、Yumitori Daisuke
    • Journal Title

      Meteoritics & Planetary Science

      Volume: 1-15 Pages: -

    • DOI

      10.1111/maps.14149

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of water on seismic attenuation of the upper mantle: The origin of the sharp lithosphere?asthenosphere boundary2023

    • Author(s)
      Liu Chao、Yoshino Takashi、Yamazaki Daisuke、Tsujino Noriyoshi、Gomi Hitoshi、Sakurai Moe、Zhang Youyue、Wang Ran、Guan Longli、Lau Kayan、Tange Yoshinori、Higo Yuji
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 120 Pages: -

    • DOI

      10.1073/pnas.2221770120

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Rheology of Hexagonal Close‐Packed (hcp) Iron2023

    • Author(s)
      Nishihara Yu、Doi Shunta、Tsujino Noriyoshi、Yamazaki Daisuke、Matsukage Kyoko N.、Tsubokawa Yumiko、Yoshino Takashi、Thomson Andrew R.、Higo Yuji、Tange Yoshinori
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      Volume: 128 Pages: -

    • DOI

      10.1029/2022jb026165

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Preliminary results from the new deformation multi-anvil press at the Photon Factory: insight into the creep strength of calcium silicate perovskite2023

    • Author(s)
      Thomson, A.R, Nishihara, Y, Yamazaki, D, Tsujino, N, Hunt, S.A, Tsubokawa, Y, Matsukage, K, Yoshino, T, Kubo, T, Dobson, D.P
    • Journal Title

      Core-Mantle Co-Evolution: An Interdisciplinary Approach

      Volume: - Pages: -

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Formation of metallic Fe in bridgmanite under shallow lower mantle conditions2023

    • Author(s)
      Tsujino Noriyoshi、Girard Jennifer、Bi Wenli、Alp Esen E.、Karato Shun-ichiro
    • Journal Title

      Physics of the Earth and Planetary Interiors

      Volume: 337 Pages: 107010~107010

    • DOI

      10.1016/j.pepi.2023.107010

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Some new insights about electrical discontinuities in the cratonic lithosphere2023

    • Author(s)
      Zhang Baohua、Fei Hongzhan、Yoshino Takashi、Xia Qunke
    • Journal Title

      Earth-Science Reviews

      Volume: 246 Pages: 104592~104592

    • DOI

      10.1016/j.earscirev.2023.104592

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hadean mantle oxidation inferred from melting of peridotite under lower-mantle conditions2023

    • Author(s)
      Kuwahara Hideharu、Nakada Ryoichi、Kadoya Shintaro、Yoshino Takashi、Irifune Tetsuo
    • Journal Title

      Nature Geoscience

      Volume: 16 Pages: 461~465

    • DOI

      10.1038/s41561-023-01169-4

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation of Solid?Solid Transition in Ti and Zr at High Pressure by Electrical Resistivity2023

    • Author(s)
      Ezenwa Innocent C.、Yoshino Takashi
    • Journal Title

      physica status solidi (b)

      Volume: 260 Pages: -

    • DOI

      10.1002/pssb.202300079

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Deformation experiments on NaNiF3 perovskite and post-perovskite2023

    • Author(s)
      Daisuke YAMAZAKI, Daijo IKUTA, Kayan LAU, Chao LIU, Takashi YOSHINO, Noriyoshi TSUJINO, Sho KAKIZAWA, Yuji HIGO, Yu NISHIHARA
    • Organizer
      Japan Geoscience Union Meeting2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Electrical resistance of Fe2O3 at high pressure2023

    • Author(s)
      Daisuke Yamazaki
    • Organizer
      Airapt2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High Pressure Generation in a Kawai-type Multianvil Apparatus Equipped with Sintered Diamond Anvils and Electrical Resistance of Fe2O3 at High Pressure2023

    • Author(s)
      Daisuke Yamazaki
    • Organizer
      IPPS workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Fe2O3の高圧下での電気抵抗測定2023

    • Author(s)
      山崎大輔
    • Organizer
      高圧討論会

URL: 

Published: 2024-12-25  

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