鉱物多結晶体の超塑性３ 粒径変化とのカップリング

• Project/Area Number: 18H03734
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 平賀 岳彦 東京大学, 地震研究所, 教授 (10444077)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥43,940,000 (Direct Cost: ¥33,800,000、Indirect Cost: ¥10,140,000); Fiscal Year 2022: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2021: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2020: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2019: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2018: ¥14,820,000 (Direct Cost: ¥11,400,000、Indirect Cost: ¥3,420,000)
• Keywords: 鉱物 / 超塑性 / 粒径 / マントル / 輝石 / 拡散クリープ / オリビン / アセノスフェア / 粒界 / 粒成長 / フォルステライト / 海洋リソスフェア

Outline of Annual Research Achievements

造岩鉱物における超塑性変形（拡散クリープ）をオリビン以外で起きるかを検証するために、上部マントルおよび下部地殻の主要鉱物である単斜輝石多結晶体の高温変形特性を調べた。高温・大気圧下での一軸圧縮試験より単斜輝石(CaMgSi2O6)の高温変形特性を明らかにすることに成功した(Ghosh et al., 2021 JGR)。具体的には、通電焼結法を用いて僅かにフォルステライト（Mg2SiO4）もしくはアノーサイト（CaAl2Si2O8）を含み、粒径が0.43 μm から4.07 μm まで大きく異なる高緻密多結晶体を合成した。本試料を1050～1170℃下での変形実験に用いた。同じ粒径および温度において、アノーサイトを含む試料がフォルステライトを含む試料の3倍程度柔らかい。応力－歪速度の線形的な関係から拡散クリープであること、また、粒径－粘性率の関係から体（結晶内）拡散がクリープを律速していることが分かり、試料間の固さの違いは、Alの単斜輝石格子拡散への促進効果と考えられる。これらの実験結果に基づいて、単斜輝石の拡散クリープ則を提案した。本クリープ則を基準にこれまでに複数の研究グループから報告された実験データを再解析した。従来、粒界拡散クリープと認定され各報告間で矛盾するデータとされてきたものが、体拡散クリープで統一的に説明できることを示した。得られた拡散クリープの著しく大きな活性化エネルギー720 kJ/molは単斜輝石を主要とする岩石の高温下での著しい弱化を予想する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

造岩鉱物における超塑性変形（拡散クリープ）をオリビン以外で示すことに成功し、クリープメカニズムの普遍性を支持する結果である。

Strategy for Future Research Activity

主要造岩鉱物に超塑性変形（拡散クリープ）の普遍性を検証するために斜長石の高温変形特性を実験的に明らかにする。フォルスライト＋ぺリクレースにおける超塑性変形特性および粒成長の結果をまとめ、国際誌に公表する。オリビンの超塑性変形時における結晶軸選択配向のパターン変化について実験的に明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Diffusion Creep of Diopside (2021)
  • Author(s): Ghosh S.、Koizumi S.、Hiraga T.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 126 Issue: 1 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1029/2020jb019855
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Grain boundary diffusion creep of olivine: 1. Experiments at 1 atm (2020)
  • Author(s): K. Yabe, K. Sueyoshi, T. Hiraga
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 125 Issue: 8 Pages: 1-33
  • DOI: 10.1029/2020jb019415
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Grain boundary diffusion creep of olivine: 2. Solidus effects and consequences for the viscosity of the oceanic upper mantle (2020)
  • Author(s): K. Yabe, T. Hiraga
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Solid Earth Volume: 125 Issue: 8 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1029/2020jb019416
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vickers indentation tests on olivine: size effects (2020)
  • Author(s): Koizumi Sanae、Hiraga Takehiko、Suzuki Tohru S.
  • Journal Title: Physics and Chemistry of Minerals Volume: 47 Issue: 2 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1007/s00269-019-01075-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Diffusion creep and grain growth in forsterite+ 20 vol% enstatite aggregates: 1. High‐resolution experiments and their data analyses. (2018)
  • Author(s): Nakakoji, T., Hiraga, T., Nagao, H., Ito, S., & Kano, M.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 123 Issue: 11 Pages: 9486-9512
  • DOI: 10.1029/2018jb015819
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diffusion creep and grain growth in forsterite+ 20 vol% enstatite aggregates: 2. Their common diffusional mechanism and its consequence for weak‐temperature‐dependent viscosity. (2018)
  • Author(s): Nakakoji, T., & Hiraga, T.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 123 Issue: 11 Pages: 9513-9527
  • DOI: 10.1029/2018jb015818
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Olivine fabric development during diffusion creep by channel angular extrusion (2021)
  • Author(s): N. Kim, T. Hiraga
  • Organizer: International Conference on Textures of Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On the low stress power-law creep of polycrystalline olivine (2019)
  • Author(s): T Hiraga, K Yabe and T Nakakoji
  • Organizer: American Geophysial Union
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Small and large effective activation energies of diffusion creep in the oceanic lithosphere and asthenosphere (2018)
  • Author(s): Hiraga T., Nakakoji T., Yabe, K.
  • Organizer: American Geophysical Union
  • Int'l Joint Research