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2014 Fiscal Year Annual Research Report

下部マントル鉱物の熱弾性特性及び熱伝導特性に対する鉄固溶効果の解明

Research Project

Project/Area Number 26287137
Research InstitutionEhime University

Principal Investigator

土屋 卓久  愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (70403863)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 土屋 旬  愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (00527608)
出倉 春彦  愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (90700146)
Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords第一原理計算 / 熱弾性特性 / 熱伝導特性 / 鉄固溶効果 / 下部マントル
Outline of Annual Research Achievements

部分的に満たされたd軌道間のクーロン相互作用をより厳密に記述する内部無動着LDA+U法と、スーパーセル中で原子を変位させて動力学行列を構築する有限変位格子動力学法を組み合わせた、鉄含有系に対する調和格子動力学法(Metsue & Tsuchiya, 2011; Tsuchiya & Wang, 2013)と、これを3次の非調和項まで拡張することにより、フォノン-フォノン相互作用を計算し、フォノン緩和時間、さらには格子熱伝導率を計算する非調和格子動力学法(Dekura, Tsuchiya, Tsuchiya, 2013)の2つの独自の手法を拡張するためのプログラム開発を行った。
Fe3+及びAl3+を含有するMgSiO3ブリッジマナイトにおける不純物の安定配置および高温高圧熱力学特性を計算し、様々な不純物配置のエネルギーを調べた結果、Al3+はSiサイトを好み、高スピン状態のFe3+を隣接したMgサイトに引き寄せ、その結果Fe3+-Al3+の置換イオン対を形成することを見いだした。さらに準調和近似を用いて熱力学特性を計算した結果、マントル濃度程度のFe3+AlO3成分の固溶はブリッジマナイトの体積をわずかに増加させるが、熱力学特性に対してはほとんど影響を与えないことを見いだした。引き続き、鉄含有ブリッジマナイトと、これに次いで下部マントル中に多量に存在する(Mg,Fe)Oフェロペリクレースの熱弾性特性を計算した。地震学的観測モデル(PREM)を再現するようにブリッジマナイトとフェロペリクレースの量比を最適化した結果、パイロライトと同程度の割合で混合した場合に最もよくPREMを再現できることを見いだした(Nature Geoscience誌に印刷中)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

鉄含有珪酸塩ブリッジマナイト、ポスト・ペロブスカイト、フェロペリクレースの有限温度弾性特性及び熱伝導特性を非経験的に計算するプログラムの開発がおおむね完了した。前者については実証計算も進み、得られた計算結果に基づき下部マントル組成について考察を行い、Nature Geosicence誌での成果公表が決定するに至った。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度の研究で開発した手法をポスト・ペロブスカイトにも拡張し、高温高圧弾性特性への鉄・アルミニウム・水の固溶効果及びその温度圧力依存性、鉄固溶効果へのスピン転移の影響について、温度・圧力・組成の関数として系統的にデータベース化する・地震学により得られている下部マントル最下部の密度、P波速度、S波速度、体積弾性波速度の4つの観測値プロファイル(例えばPREM)を同時にすべて再現するような、Mg+Fe/Si比、Fe/Mg+Fe比、さらにはAl/Si比、Fe3+/ΣFe比、含水量の制約を行う。これに基づき、下部マントル最下部の第一原理鉱物学モデル、異方性モデルを構築する。この際、求めた有限温度自由エネルギーを活用してフェロペリクレースとの間での鉄元素分配係数を制約するなどして、独立な自由度をできるだけ減らす工夫をおこなうとともに、実験的に示唆されている鉄の電荷不均化反応の可能性についても考察する。
得られた下部マントル主要鉱物の弾性特性を沈み込んだ地殻物質の弾性特性(Tsuchiya, 2011; Kawai & Tsuchiya, 2012; Tsuchiya & Kawai, 2013)などと比較して、地震波トモグラフィーなどにより得られている下部マントルの局所速度構造や局所密度構造の観測結果の解釈を行う。この際、観測される地震波速度や密度の不均質性の傾向が、温度異常や組成異常など原因に依存して変化する点(Karato & Karki, 2001)に注目して、下部マントル内部における化学不均質性、沈み込んだスラブの挙動や、CMB において観測される超低速度層(ULVZ)の起源について考察する。
熱伝導率に関しても、平成26年度に開発したプログラムを鉄含有ブリッジマナイト、ポスト・ペロブスカイト、及びフェロペリクレースへの適用を進める。これらの新たに得られる結果を用いて、申請者らが過去に推定した下部マントル深部(D”層)の温度場モデル(Kawai & Tsuchiya, 2009)を精密化する。

Causes of Carryover

基盤研究設備としてクラスター型並列計算機を入札を経て購入したが、落札価格が当初予定に比べ大幅に低価格となった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

本年度購入予定であった追加計算ノードの購入ノード数を増加させる。

  • Research Products

    (44 results)

All 2015 2014 Other

All Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 10 results) Presentation (31 results) (of which Invited: 6 results) Book (2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Computational support for a pyrolitic lower mantle containing ferric iron2015

    • Author(s)
      X. Wang, T. Tsuchiya, and A. Hase
    • Journal Title

      Nature Geoscience

      Volume: 8 Pages: 556-559

    • DOI

      10.1038/ngeo2458

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-principles investigation of hydrous post-perovskite2015

    • Author(s)
      J. P. Townsend, J. Tsuchiya, C. R. Bina, S. D. Jacobsen
    • Journal Title

      Physics of the Earth and Planetary Interiors

      Volume: 244 Pages: 42-48

    • DOI

      10.1016/j.pepi.2015.03.010

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Elasticity and phase stability of pyrope garnet from ab initio computation2015

    • Author(s)
      K. Kawai and T. Tsuchiya
    • Journal Title

      Physics of the Earth and Planetary Interiors

      Volume: 240 Pages: 125-131

    • DOI

      10.1016/j.pepi.2014.10.005

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 第一原理計算による理論高圧鉱物物性学の開拓2015

    • Author(s)
      土屋卓久
    • Journal Title

      岩石鉱物科学

      Volume: 44 Pages: 10-24

    • DOI

      10.2465/gkk.150104

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Atomic transport property of Fe-O liquid alloys in the Earth’s outer core P, T condition2015

    • Author(s)
      H. Ichikawa and T. Tsuchiya
    • Journal Title

      Physics of the Earth and Planetary Interiors

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1016/j.pepi.2015.03.006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Small shear modulus of cubic CaSiO3 perovskite2015

    • Author(s)
      K. Kawai and T. Tsuchiya
    • Journal Title

      Geophysical Research Letters

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1002/2015GL063446

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Elasticity of superhydrous phase, B, Mg10Si3O14(OH)42015

    • Author(s)
      M. Mookherjee, J. Tsuchiya
    • Journal Title

      Physics of the Earth and Planetary Interiors

      Volume: 238 Pages: 42-50

    • DOI

      10.1016/j.pepi.2014.10.010

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] P-V-T equation of state of cubic CaSiO3 perovskite from first-principles computation2014

    • Author(s)
      K. Kawai and T. Tsuchiya
    • Journal Title

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      Volume: 119 Pages: 2801-2809

    • DOI

      10.1002/2013JB010905

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Postperovskite Phase Transition of ZnGeO3: Comparative Crystal Chemistry of Postperovskite Phase Transition from Germanate Perovskites2014

    • Author(s)
      H. Yusa, T. Tsuchiya, M. Akaogi, H. Kojitani, D. Yamazaki, N. Hirao, Y. Ohishi, and T. Kikegawa
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 53 Pages: 11732-11739

    • DOI

      10.1021/ic501958y

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystal chemistry of dense hydrous magnesium silicates: The structure of Phase H, MgSiH2O4, synthesized at 45 GPa and 1000 ℃2014

    • Author(s)
      L. Bindi, M. Nishi, J. Tsuchiya, T. Irifune
    • Journal Title

      American Mineralogist

      Volume: 99 Pages: 1802-1805

    • DOI

      10.2138/am.2014.4994

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Thermodynamic integration method for high pressure melting of silicates2015

    • Author(s)
      T. Tsuchiya and T. Taniuchi
    • Organizer
      International School and Workshop "Matter in Extreme Conditions
    • Place of Presentation
      Montgenevre, France
    • Year and Date
      2015-02-05 – 2015-02-05
    • Invited
  • [Presentation] Phase H: A new high pressure phase of dense hydrous magnesium silicates in the lower mantle2014

    • Author(s)
      J. Tsuchiya, T. Tsuchiya, M. Nishi, and M. Mookherjee
    • Organizer
      AGU Fall Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2014-12-18 – 2014-12-18
  • [Presentation] The equations of state of liquid pure Fe and Fe-light elements alloys by ab initio molecular dynamics simulations2014

    • Author(s)
      H. Ichikawa, T. Tsuchiya, and M. Ohsumi
    • Organizer
      AGU Fall Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2014-12-18 – 2014-12-18
  • [Presentation] First principles investigations of hydrous phases at the bottom of the lower mantle2014

    • Author(s)
      J. Tsuchiya, T. Tsuchiya, J. Townsend, S. Jacobsen, and C. Bina
    • Organizer
      AGU Fall Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2014-12-16 – 2014-12-16
    • Invited
  • [Presentation] Small shear modulus of cubic CaSiO3 perovskite2014

    • Author(s)
      K. Kawai, T. Tsuchiya
    • Organizer
      AGU Fall Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2014-12-16 – 2014-12-16
  • [Presentation] A pyrolitic lower mantle with (Mg,Fe3+)(Si,Al3+)O3 bridgmanite2014

    • Author(s)
      X. Wang, T. Tsuchiya, and A. Hase
    • Organizer
      AGU Fall Meeting
    • Place of Presentation
      San Francisco, USA
    • Year and Date
      2014-12-16 – 2014-12-16
  • [Presentation] 第一原理計算法による熱伝導率計算と核-マントル境界の熱特性2014

    • Author(s)
      出倉春彦, 土屋卓久
    • Organizer
      第55回高圧討論会
    • Place of Presentation
      徳島市
    • Year and Date
      2014-11-24 – 2014-11-24
    • Invited
  • [Presentation] 下部マントルにおけるphase Hの安定性2014

    • Author(s)
      土屋 旬, 土屋卓久
    • Organizer
      第55回高圧討論会
    • Place of Presentation
      徳島大学
    • Year and Date
      2014-11-24 – 2014-11-24
  • [Presentation] Thermoelastic properties of lower mantle minerals: Implication for lower mantle's composition2014

    • Author(s)
      X. Wang, T. Tsuchiya, and A. Hase
    • Organizer
      第55回高圧討論会
    • Place of Presentation
      徳島大学
    • Year and Date
      2014-11-24 – 2014-11-24
  • [Presentation] 内部無撞着LSDA+U法に基づくMgSiO3ブリッジマナイトの弾性特性に対する二価、三価鉄の固溶効果の計算2014

    • Author(s)
      長谷淳史, 土屋卓久
    • Organizer
      第55回高圧討論会
    • Place of Presentation
      徳島大学
    • Year and Date
      2014-11-22 – 2014-11-22
  • [Presentation] 第一原理計算による理論高圧鉱物物性学の開拓2014

    • Author(s)
      土屋卓久
    • Organizer
      日本鉱物科学会2014年年会
    • Place of Presentation
      熊本大学
    • Year and Date
      2014-09-18 – 2014-09-18
    • Invited
  • [Presentation] 第一原理計算からの地球惑星科学2014

    • Author(s)
      土屋卓久
    • Organizer
      日本地質学会第121年学術大会
    • Place of Presentation
      鹿児島大学
    • Year and Date
      2014-09-15 – 2014-09-15
    • Invited
  • [Presentation] Thermal property modeling of the core-mantle boundary2014

    • Author(s)
      T. Tsuchiya and H. Dekura
    • Organizer
      IMA 2014
    • Place of Presentation
      Johanesburg, South Africa
    • Year and Date
      2014-09-04 – 2014-09-04
  • [Presentation] First principles investigation of the stability of phase H in the lower mantle2014

    • Author(s)
      J. Tsuchiya
    • Organizer
      IMA 2014
    • Place of Presentation
      Johanesburg, South Africa
    • Year and Date
      2014-09-04 – 2014-09-04
  • [Presentation] Phase H: a new high pressure phase of dense hydrous magnesium silicates in the lower mantle2014

    • Author(s)
      J. Tsuchiya
    • Organizer
      SEDI2014
    • Place of Presentation
      神奈川県三浦郡葉山町
    • Year and Date
      2014-08-08 – 2014-08-08
    • Invited
  • [Presentation] First principles prediction of a new high pressure phase of dense hydrous magnesium silicates in the lower mantle2014

    • Author(s)
      J. Tsuchiya and T. Tsuchiya
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-08-01 – 2014-08-01
  • [Presentation] Thermodynamic properties of MgSiO3 post perovskite with Fe3+ and Al3+ incorporation: An internally consistent LSDA+U study2014

    • Author(s)
      X. Wang and T. Tsuchiya
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-08-01 – 2014-08-01
  • [Presentation] Development of an ab initio calculation method for liquid free energy based on the thermodynamic integration2014

    • Author(s)
      T. Taniuchi and T. Tsuchiya
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-08-01 – 2014-08-01
  • [Presentation] Thermal property modeling of the core-mantle boundary2014

    • Author(s)
      T. Tsuchiya and H. Dekura
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-07-30 – 2014-07-30
  • [Presentation] The equation of state of liquid pure Fe and Fe-light elements alloys by ab initio molecular dynamics simulations2014

    • Author(s)
      H. Ichikawa and T. Tsuchiya
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-07-29 – 2014-07-29
  • [Presentation] First principles investigation of the stability of phase H in the lower mantle2014

    • Author(s)
      J. Tsuchiya and T. Tsuchiya
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-07-29 – 2014-07-29
  • [Presentation] A pyrolitic lower mantle with (Mg,Fe3+)(Si,Al3+)O3 perovskite2014

    • Author(s)
      X. Wang and T. Tsuchiya
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-07-29 – 2014-07-29
  • [Presentation] Small shear modulus of cubic CaSiO3 perovskite2014

    • Author(s)
      K. Kawai and T. Tsuchiya
    • Organizer
      AOGS 2014
    • Place of Presentation
      札幌市
    • Year and Date
      2014-07-29 – 2014-07-29
  • [Presentation] 立方晶カルシウムペロブスカイトの小さな剛性率2014

    • Author(s)
      河合研志, 土屋卓久
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-05-02 – 2014-05-02
  • [Presentation] 核マントル境界の熱特性モデリング2014

    • Author(s)
      土屋卓久, 出倉晴彦
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-05-02 – 2014-05-02
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法による鉄・軽元素系液体合金の状態方程式の決定2014

    • Author(s)
      市川浩樹, 土屋卓久, 大角正直
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-05-02 – 2014-05-02
  • [Presentation] 第一原理分子動力学法によるFe-O液体の相分離に関する研究2014

    • Author(s)
      大角正直, 土屋卓久, 市川浩樹
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-05-02 – 2014-05-02
  • [Presentation] 第2大陸の役割2014

    • Author(s)
      河合研志, 市川浩樹, 山本伸次, 土屋卓久, 丸山茂徳
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-04-29 – 2014-04-29
  • [Presentation] Where had the primordial continent gone?2014

    • Author(s)
      丸山茂徳, 河合研志, 土屋卓久
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-04-29 – 2014-04-29
  • [Presentation] A pyrolitic lower mantle with (Mg,Fe3+)(Si,Al3+)O3 perovskite2014

    • Author(s)
      X. Wang and T. Tsuchiya
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-04-29 – 2014-04-29
  • [Presentation] Thermodynamic properties of Mg-postperovskite with Fe3+ and Al3+ dopant: an internally consistent LSDA+U study2014

    • Author(s)
      X. Wang and T. Tsuchiya
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合
    • Place of Presentation
      横浜市
    • Year and Date
      2014-04-29 – 2014-04-29
  • [Book] The Earth's Heterogeneous Mantle2015

    • Author(s)
      K. Kawai and T. Tsuchiya
    • Total Pages
      16
    • Publisher
      Springer
  • [Book] Treatise on Geophysics2015

    • Author(s)
      T. Irifune and T. Tsuchiya
    • Total Pages
      in press
    • Publisher
      Elsevier
  • [Remarks] 愛媛大学・地球深部ダイナミクス研究センター・数値計算部門

    • URL

      https://sites.google.com/site/ehimetmpg/home

URL: 

Published: 2016-06-01  

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