ケイ酸塩ペロブスカイトの粘性測定による下部マントルのレオロジー構造の解明

• Project/Area Number: 15J09669
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Petrology/Mineralogy/Economic geology
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 辻野 典秀 岡山大学, 惑星物質研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ブリッジマナイト / 下部マントル / 粘性率 / その場歪ー応力測定 / 不均化反応 / レオロジー / 地震波低速度領域 / ケイ酸塩ペロブスカイト

Outline of Annual Research Achievements

下部マントルの最主要鉱物であるケイ酸塩ペロブスカイト（Mg,Fe)SiO3）（鉱物名：ブリッジマナイト)はMg2+、Fe2+といった二価のイオンとSi4+の4価のイオンから主に構成されているが、3価のイオンであるAl3+も多量に固溶できることが知られている。特にパイロライトモデルでは、下部マントル中のブリッジマナイトは深さに伴い、ブリッジマナイトの組成が大きく変化することが報告されている(Irifune et al., 2010)。特に、3価のイオンであるAl3+の固容量が30~40GPa付近において、最大値を持ち、この圧力は、地球物理学的観測により報告されている粘性率の極大の深さと一致していることから、Al3+の固溶がブリッジマナイトの粘性に大きな影響を与える可能性が高いと考えられているが、それを示す実験的証拠は未だ示されていない。
そこで、本年度は、下部マントル条件でのその場歪ー応力測定変形実験を行うことで、ブリッジマナイトの粘性率のAl2O3濃度依存性を明らかにすることを目的とした。
BL04B1に設置されているD-DIA型高圧発生装置SPEED Mk.IIを用いて、25GPa、1573-1673 KでのAl2O3を固溶する(3wt.%)の応力―歪同時その場観察変形実験を行った。
下部マントルの温度条件はおよそ1900 K程度あると考えられており、本研究結果を下部マントル温度条件まで単純に温度外挿するとAl2O3の固溶によって、ブリッジマナイトの粘性率はAl2O3を含むことによって0.5桁程度大きくなることが明らかとなった。これは、地球物理学的観測から得られている粘性率の極大に寄与し得るが、Al2O3のみで説明できないことが明らかとなった。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A shallow origin of so-called ultrahigh-pressure chromitites, based on single-crystal X-ray structure analysis of the high-pressure Mg2Cr2O5phase, with modified ludwigite-type structure (2017)
  • Author(s): Ishii Takayuki、Tsujino Noriyoshi、Arii Hidekazu、Fujino Kiyoshi、Miyajima Nobuyoshi、Kojitani Hiroshi、Kunimoto Takehiro、Akaogi Masaki
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: 102 Issue: 10 Pages: 2113-2118
  • DOI: 10.2138/am-2017-6050
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pressure generation to 65 GPa in a Kawai-type multi-anvil apparatus with tungsten carbide anvils (2017)
  • Author(s): Takayuki Ishii, Daisuke Yamazaki, Noriyoshi Tsujino, Fang Xu, Zhaodong Liu, Takaaki Kawazoe, Takafumi Yamamoto, Dmitry Druzhbin, Lin Wang, Yuji Higo, Yoshinori Tange, Takashi Yoshino, Tomoo Katsura
  • Journal Title: High Pressure Research Volume: 37 Issue: 4 Pages: 507-515
  • DOI: 10.1080/08957959.2017.1375491
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthesis of boron-doped diamond and its application as a heating material in a multi-anvil high-pressure apparatus (2017)
  • Author(s): Longjian Xie, Akira Yoneda, Takashi Yoshino, Daisuke Yamazaki, Noriyoshi Tsujino, Yuji Higo, Yoshinori Tange, Tetsuo Irifune, Toru Shimei, Eiji Ito
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 88 Issue: 9 Pages: 093904-093904
  • DOI: 10.1063/1.4993959
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Grain growth of epsiron-iron: Implications to grain size and its evolution in the Earth’s inner core (2017)
  • Author(s): D. Yamazaki, N. Tsujino, A. Yoneda, E. Ito, T. Yoshino, Y. Tange, and Y. Higo
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 459 Pages: 238-243
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2016.11.049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Grain-growth Kinetics of Olivine Using in-situ 2D X-ray Diffraction (2016)
  • Author(s): Tsujino, N., Noritake, F., Sakurai, M., Higo, Y., Funakoshi, K., Takahashi, E.
  • Journal Title: SPring-8/SACLA Research Report Volume: 4 Issue: 2 Pages: 161-165
  • DOI: 10.18957/rr.4.2.161
  • NAID: 130007969102
  • ISSN: 2187-6886
  • Year and Date: 2016-07-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of cation substitution on bridgmanite elasticity: A key to interpret seismic anomalies in the lower mantle (2016)
  • Author(s): Hiroshi Fukui, Akira Yoneda, Akihiko Nakatsuka, Noriyoshi Tsujino, Seiji Kamada, Eiji Ohtani, Anton Shatskiy, Naohisa Hirao, Satoshi Tsutsui, Hiroshi Uchiyama, Alfred Q. R. Baron
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 33337-33337
  • DOI: 10.1038/srep33337
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mantle dynamics inferred from the crystallographic preferred orientation of bridgmanite (2016)
  • Author(s): N. Tsujino, Y. Nishihara, D. Yamazaki, Y. Seto, Y. Higo, E. Takahashi
  • Journal Title: Nature Volume: 539 Issue: 7627 Pages: 81-84
  • DOI: 10.1038/nature19777
  • NAID: 120006331948
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Generation of pressures over 40 GPa using Kawai-type multi-anvil press with tungsten carbide anvils (2016)
  • Author(s): T. Ishii, T., L. Shi, R. Huang, N. Tsujino, D. Druzhbin, R. Myhill, Y. Li, L. Wang, T. Yamamoto, N. Miyajima, T. Kawazoe, N. Nishiyama, Y. Higo, Y. Tange, and T. Katsura
  • Journal Title: Rev. Sci. Instrum. Volume: 87 Issue: 2 Pages: 24501-24501
  • DOI: 10.1063/1.4941716
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Elastic wave velocity anomalies of anorthite in subducting plate: In situ experiments (2015)
  • Author(s): Kyoko N. MATSUKAGE, Yu NISHIHARA, Fumiya NORITAKE, Katsuyuki KAWAMURA, Noriyoshi TSUJINO, Moe SAKURAI, Yuji HIGO, Junichi NAKAJIMA, Akira HASEGAWA, Eiichi TAKAHASHI
  • Journal Title: American Mineralogist Volume: in press Issue: 8-9 Pages: 1856-1865
  • DOI: 10.2138/am-2015-5240
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ブリッジマナイトのその場応力―歪測定 (2017)
  • Author(s): 辻野 典秀、山崎 大輔、櫻井 萌、XU Fang、肥後 祐司
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • Invited
• [Presentation] 下部マントルにおけるブリッジマナイトのレオロジー研究 (2017)
  • Author(s): 辻野 典秀
  • Organizer: 第58回高圧討論会
• [Presentation] ブリッジマナイトのクリープ強度 (2017)
  • Author(s): 辻野 典秀・山崎 大輔・櫻井 萌・肥後 祐司・丹下 慶範
  • Organizer: 第58回高圧討論会
• [Presentation] Rheological properties of bridgmanite based on deformation experiments (2017)
  • Author(s): Noriyoshi Tsujino, Daisuke Yamazaki, Takashi Yoshino, Moe Sakurai, Yuji Higo and Yoshinori Tange
  • Organizer: AGU fall meeting 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Formation of metallic Fe in the lower mantle (2016)
  • Author(s): Noriyoshi Tsujino, Jennifer Girard, Ercan E. Alp and Shun-ichiro Karato
  • Organizer: AGU Fall meeting 2016
  • Place of Presentation: San Francisco
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystallographic-preferred-orientation of (Mg,Fe)SiO3-bridgmanite : implications for the mantle dynamics in the lower mantle (2015)
  • Author(s): N Tsujino, Y. Nishihara, D. Yamazaki, Y. Seto, E, Takahashi
  • Organizer: AGU fall meeting 2015
  • Place of Presentation: Sanfrancisco
  • Year and Date: 2015-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Lattice Preferred Orientation of Bridgmanite: Implications for Seismic Anisotropy in the Lower Mantle (2015)
  • Author(s): N Tsujino, Y. Nishihara, D. Yamazaki, Y. Seto
  • Organizer: Goldschmidt 2015 conference
  • Place of Presentation: Prague
  • Year and Date: 2015-08-16
  • Int'l Joint Research