| Project/Area Number |
22H04932
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Broad Section B
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
岡本 敦 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平内 健一 静岡大学, 理学部, 准教授 (10633290)
武藤 潤 東北大学, 理学研究科, 教授 (40545787)
Madhusoodhan SatishKumar 新潟大学, 自然科学系, 教授 (50313929)
宇野 正起 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (50748150)
渡邉 則昭 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (60466539)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥198,510,000 (Direct Cost: ¥152,700,000、Indirect Cost: ¥45,810,000)
Fiscal Year 2024: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2023: ¥50,570,000 (Direct Cost: ¥38,900,000、Indirect Cost: ¥11,670,000)
Fiscal Year 2022: ¥96,330,000 (Direct Cost: ¥74,100,000、Indirect Cost: ¥22,230,000)
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| Keywords | マントル / 炭酸塩化 / 沈み込み帯 / CO2流体 / 反応誘起破壊 / 三波川帯 / 地殻ーマントル境界 / 交代作用 / 水熱実験 / キレート剤 / 炭酸塩 / オマーンオフィオライト / CO2固定 / 岩石ー流体相互作用 / 地震活動 |
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| Outline of Research at the Start |
地球表層の炭素は，プレートの沈み込みによって地球内部へ持ち込まれる。マントル岩石は表層のCO2を固定することが知られてきたが，深部マントルとCO2流体の反応はよくわかっていない。本研究では，沈み込み帯のマントル岩体の炭酸塩化の実態を調査するとともに，浅部と深部に対応する条件でマントル岩石の炭酸塩化実験を行う。岩石―流体平衡の溶液化学を軸に，岩石の破壊と元素移動を伴うマントルへのCO2固定のメカニズムを明らかにする。その上で，沈み込み帯での炭素の循環機構を検討し，地球内部のCHO流体とプレート境界の地震活動をつなぐ現象モデルを提案したい。
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| Outline of Annual Research Achievements |
天然の蛇紋岩体の解析、室内実験、数値モデリングについてそれぞれ研究を進めきた。オマーンオフィオライトの高温型蛇紋石（アンチゴライト）の脈について物資移動解析を行い、この鉱物脈がマントルウェッジでの短期間、かつ高速の流体移動であることを明らかにし、スロー地震の時間スケールとの比較を行った（Yoshida, Okamoto et al., 2023, Sci Adv）。三波川帯の樋口蛇紋岩体について、炭酸塩脈の姿勢をもとに応力逆解析を行い、高い間隙水圧のもと、主応力方向の入れ替わりが起こったことを明らかにしつつある。
マントルウェッジ条件での地殻―マントル境界の反応実験を系統的に進め、含水マントルと無水マントルではH2O-CO2流体による反応の亀裂パターンが異なること、時間と共に溶液のCO2濃度が変化するために、マグネサイト＋石英からマグネサイト＋滑石に変化することを明らかにした。一方、低圧での反応―透水実験により、MgOの加水膨張反応に伴う体積変化、軸圧、浸透率の変化の精密モニタリングに成功し、出発物質の空隙率が小さい時に反応誘起破壊が起こり、特徴的な浸透率増大が起こることを明らかにした。また、天然の蛇紋岩の反応実験においても、ブルース石の選択的反応により亀裂が生じることを見出した。キレート剤を用いた実験により、MgやCaを含むマントル構成鉱物（特にかんらん石）の選択的溶解が促進されることを明らかにし、炭酸塩化技術に展開とを検討している。
典型的な沈み込み帯（東北日本、西南日本）に沿って、炭素を入れた系での交代作用についての地化学計算を実施し、沈み込み帯によるマントルの炭酸塩化と滑石形成量の違いを明らかにしつつある。離散要素法のシミュレーションにより、マントルウェッジの応力場によって亀裂形成、および流体流動パターンが変化することを明らかにしている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
天然の蛇紋岩の解析：予定していた、３つの三波川帯の蛇紋岩体のうち、富郷と樋口の２つの中心的な解析がほぼ完了しつつある。特に、樋口蛇紋岩体の炭酸塩脈の応力逆解析が成功し、高い間隙水圧と応力状態の変化を示したことは大きな成果である。オマーンオフィオライトのアンチゴライト脈の反応帯の物質移動解析からマントルウェッジでの高速の流体流動を見出し、Science Advances誌に公表できたのは予想以上の大きな成果と言える。
室内実験：マントルウェッジ条件での地殻―マントル境界の反応実験は、順調に進めている。含水と無水マントルで亀裂パターンが変わることを確認し、当初の仮説を裏付けた。さらに、炭酸塩化の反応生成物が時間変化することを見出したのは予想以上の成果と言える。反応―透水実験では、予定通りに実験装置が完成した。MgOを用いた加水膨張反応実験を行い、初期の空隙率により、流路閉塞か、亀裂による浸透率上昇が起こるかが変化することをモニタリングすることに成功した。反応による差応力の発生という新たな知見も得られている。また、天然蛇紋石を用いた反応実験においても、ブルース石の選択的反応より亀裂発生を見出したのは予想以上であった。キレート材を用いた反応―透水実験では、鉱物炭酸塩化に重要であるMgやCaを含む鉱物の選択的溶解を明確に示して、現在、特許出願中である。
数値モデル：離散要素法(DEM)によるマントルウェッジの反応―破壊モデルは順調に進んでいる。また、沈み込み帯の地化学計算は、炭素入れた系（炭質物、炭酸塩）での交代作用の計算方法を確立し、すでに、東北日本と西南日本の違いを明らかにしている。単に溶液濃度の計算ではなく、脱水量と合わせることで、炭酸塩化の量的な議論ができるようになっている点は予想以上と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで得られている複数の成果を着実に論文として公表しながら、天然、実験、数値モデルそれぞれの研究をさらに進めていく。
天然の蛇紋岩の解析：樋口蛇紋岩体の解析は、炭酸塩鉱物の結晶方位などの微細変形組織の情報を加えながら、高い間隙水圧による反応―破壊プロセスと地震との関係について考察し、論文化を進める。三波川帯の国領蛇紋岩体や他の蛇紋岩体、および、周囲の岩石の炭酸塩の安定同位体の解析を行い、炭酸塩化を引き起こす、沈み込み帯のCO2流体の起源について検討する。カリフォルニアなどの他地域の地質体の蛇紋岩体の炭酸塩化についても情報を収集する。
室内実験：マントルウェッジ条件での炭酸塩化の実験については、物質移動解析と熱力学的な考察を加えて、CO2流体による炭酸塩化および反応帯の形成についての明らかにし、論文化を進める。また、差応力を加えた反応―変形実験を進め、炭酸塩化の副産物である石英と滑石がレオロジーや摩擦挙動に与える影響を検討する。MgOを用いた反応―透水実験では、同時計測した体積変化、浸透率、軸圧、AE（アコースティックエミッション）の時間変化を詳細に検討し、反応―変形・破壊―流体流動のフィードバックについて明らかにしていく。キレート剤を用いた実験では、かんらん岩中のかんらん石の選択的溶解によって作り出される流路構造の解析とともに、溶脱したイオンの炭酸塩として析出させる可能性を検討する。
数値モデル：離散要素法により、反応ー透水実験で見られたMgOの反応―破壊様式の再現を試みながら、必要に応じてモデルの改良を行う。沈み込み帯に沿った地化学モデルは、東北日本と西南日本の詳細な比較を論文化するとともに、他の沈み込み帯や堆積物の炭素の量や存在形態が沈み込み帯のマントルウェッジでの炭酸塩化、滑石形成に与える効果を熱力学的に検討する。
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