2022 Fiscal Year Annual Research Report
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22H01322
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
西 真之 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (10584120)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桑原 秀治 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (50505394)
近藤 忠 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (20252223)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 地球・惑星内部構造 / 水循環 / マントル / 相転移カイネティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、地球内部の高温高圧状態において含水化する鉱物が相次いで発見されたことから、マントル対流により駆動される地球内部の大規模な水循環と、その地球ダイナミクスへの影響が盛んに議論されている。我々の研究グループは、中心核―マントル境界の化学反応を促進する成分としてマントルに少量含まれる「水」に着目しいる。これまでに、高温高圧かつ水を含んだ環境下での鉱物と金属鉄間の反応実験を行い、いくつかの新たな知見を得ている。特に重要な発見として、水を含んだ環境下では、鉱物と金属鉄間の化学反応により酸化鉄に富む反応帯が生成されること確認した。この反応帯は無水環境下では形成されないことも確認しており、水成分が核とマントルの化学反応を推進することを見出した。また、鉄―ニッケル合金を使用した反応帯形成実験から、水ー鉄反応に伴うフェロペリクレースの形成によって(1)元素の高速拡散、および(2)液体鉄の浸透により駆動されることが示唆された。本実験結果はJpGU2023大会で発表する予定である。
別の実験として上記実験の出発物質用に高圧合成した含水ブリッジマナイトと無水ブリッジマナイトについて、大型放射光施設SPring8にて高温下XRD測定を行った。ブリッジマナイトの非晶質化時に高い応力が発生し、これが相変化のメカニズムに影響することが明らかとなった。この結果は隕石の相変化カイネティクスの理解に応用できる可能性があり、国際誌に論文として投稿中である。この反応についての水の影響について今後も理解を深めている予定である。
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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
当該年度では、愛媛大学設置のマルチアンビル型装置を用い、25万気圧かつ1500Kから2500Kの温度条件下において、水を含むブリッジマナイトと金属鉄間の反応実験を行った。金属鉄の状態は高温側では固相から液相へと変化するが、いずれの場合でも反応帯の形成が確認されている。無水条件下ではこの反応帯は形成されておらず、水が反応帯形成に重要な役割を果たすことが確認された。FE-EPMAを用いた回収試料の化学組成マッピングから、反応帯のメカニズムの詳細を考察中である。現在のところ、水成分が存在することにより金属鉄の浸透と原子の高速拡散が起こることが示唆されている。一方で当初の目的の一つである、水成分の拡散係数の定量化については実験が進んでいないが、上記の化学反応のメカニズムをより詳細に理解した後に、関連する拡散実験を実施する。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの実験において、水を含む鉱物と金属鉄間の高圧下の反応は、酸化鉄に富む反応帯を形成することが明らかとなった。今後は、水を含む環境下で鉱物とFe-Si合金を反応させ、核―マントル間の相互作用をより現実的な系において解明することを目的とする。これまでの実験では鉱物中に生成される反応帯にのみ着目してきたが、上記した反応メカニズムは金属鉄の化学組成も大きく変化させることが想定される。このことから今回は鉄中のSiの移動にも着目し、水がマントル(鉱物)と外核(金属鉄)に及ぼす影響を考察する。
下部マントルの構成候補物質である含水ブリッジマナイト(または含水カンラン岩)とFeSi 合金をペアとして張り合わせた反応実験を、岡山大学のマルチアンビル型装置を用いて行う。XRDおよび電子顕微鏡を用いて回収試料の微細組織観察と出現相の同定を行う。
実績の概要に記した通り、ブリッジマナイトの高温XRD測定を行った際にブリッジマナイトの非晶質化時に応力が発生し、それが相変化カイネティクスに影響することを発見した。この現象は天体衝突時の鉱物の反応カイネティクスに関わる現象であるため、水の影響を含めて様々な鉱物について高温XRD測定を継続する。
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Research Products
(9 results)
