2013 Fiscal Year Annual Research Report
マントルの水マッピング：高温高圧下の地震波減衰特性と電気伝導度からの制約
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24244087
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
芳野 極 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (30423338)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
米田 明 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (10262841)
西原 遊 愛媛大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (10397036)
山崎 大輔 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (90346693)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 水 / マントル / 電気伝導度 / 地震波減衰 / 水素拡散 / 高圧実験 |
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| Research Abstract |
本研究はマントルの水を定量的にマッピングすることを目的とし、少量の水に敏感な物性である地震波の減衰(非弾性効果)を特徴づけるQ値の決定と電気伝導度に基づき、マントルの水の量と分布を地震波減衰および電気伝導度トモグラフィーと照合して決定を試みる。
本年度は、昨年度末に本科研費でSPring8のBL04のD-DIA型プレスに導入した短周期振動油圧システムのテストを行なった。1GPa程度の圧力で温度が1000℃以上で、サンカルロスオリビン多結晶体を用いて実験を行なった。周期0.5秒までの周期振動によって試料の微小歪を捉えることができることが確認できた。また、標準試料と試料の間での振動の位相差があり、減衰を特徴付けるQ値の決定ができた。求められたQ値は異なる実験手法を用いて低圧力下で決定された値とほぼ一致することが分かった。
電気伝導度を用いた地球内部の水をマッピングするためには、含水鉱物の結晶構造内に存在する水素がどのような移動度（拡散）を持ち、どのような形態の水素がプロトン伝導に寄与しているかについての知識がマントルの定量的な水の量の見積もりに重要である。このために、ワズレアイトの含水単結晶を重水素(D)と軽水素(H)をドープしたものを作成して、D/Hの相互格子拡散実験を行なった。DH相互拡散プロファイルは二次イオンビーム質量分析機(SIMS)で測定され、予察的な結果が得られた。また、本年度はさらにペリドタイト鉱物組み合わせと共存するときマントル遷移層の主要な鉱物であるワズレアイトが、どの程度まで水を固溶できるかの上限の決定を多様な温度、酸素雰囲気下で行なった。ワズレアイト中の水の定量は、SIMSで測定を行なった。酸化的から還元的な環境に変化すると、ワズレアイトの水の固溶量が大きく減少することが分かった。
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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
本研究のハイライトであり、本科研費の採択に伴い、新たにスタートさせたD-DIA型プレスを用いた短周期振動システムの開発および運用はほぼ研究計画通りに推移している。初年度に短周期振動システムの開発、SPring8のD-DIA型プレスに設置した。2年目にあたる本年度において、このシステムの有効性の確認を行なった。その結果、0.5秒周期まで試料の振動を確認することができており、解析で求められた地震波の減衰を表すQ値もおおむね既に報告されている値に近いものが得られていることから、このシステムの導入により、今まで不可能であった15秒周期を切る短周期でのQ値測定が可能となった。
一方、オリビンやその高圧相であるワズレアイト、リングウッダイトのプロトン伝導を支配する結晶内の水素の移動度を決定するためにDとHをドープした含水単結晶を作成し、2つの結晶間でのD/H相互拡散実験を行なっており、結晶内でどの種の水素の移動がプロトン伝導に貢献しているのかを調査している。現状では、鉄を含まない系での水素の拡散は非常に遅く、鉄を含む含水ワズレアイトの電気伝導度のデータとは整合性が無いことが分かった。今後は鉄を入れた系での実験を行なっていく予定である。４年間の研究期間で十分にプロトン伝導に貢献する水素の種を特定することは十分に期待できる。
全体の研究の進展を考慮すると研究はおおむね順調に推移している。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度末に導入した短周期振動油圧システムを稼働させて得られたデータは、今までの報告された値と大方一致することから、周期振動とX線その場観察を組み合わせた本研究は、高温高圧下におけるQ値測定に十分に有効であることが分かった。今後は、今まで研究対象となり得なかったさらに高圧条件下での研究を進める予定である。今年度の実験は1 GPa程度の圧力で行なってきたが、次年度以降はさらに高圧力下での振動実験を試みる。例えば、オリビンの減衰への水の効果を含水量の関数として決定するためには、含水量の多いオリビンを用いて研究する必要がある。そのためには、水の溶解度が高い高圧力下での実験が必須である。また、さらに多くの水を結晶内に取り込むことが可能なワズレアイトを調査することは含水量の減衰への効果に理解に役立つものと考えられる。次年度は、アンビルの切り欠き長を小さくして、立方体圧媒体のダウンサイズを行なう。この改良によって、試料がX線ラジオグラフィによって解析可能な十分な歪量を獲得できるよう工夫する必要がある。また、更なる高圧力発生を目指して、川井型(6-8)マルチアンビル方式での振動実験も開始する。
また、水素の拡散をDとHをドープしたオリビン、ワズレアイト、リングウッダイトの単結晶を作って、相互拡散実験を推し進め、水素拡散と電気伝導度の関係を確立する実験も同時に進行する。
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[Journal Article] P-V-T relations of gamma-Ca3(PO4)2 tuite determined by in situ X-ray diffraction in a large-volume high-pressure apparatus2013
Author(s)
S. Zhai, D. Yamazaki, W. Xue, L. Ye, C. Xu, S. Shan, E. Ito, A. Yoneda, T. Yoshino, X. Guo, A. Shimojuku, N. Tsujino, K. Funakoshi
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Journal Title
American Mineralogists
Volume: 98
Pages: 1811-1816
DOI
Peer Reviewed
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