| 研究概要 |
地球内部の動的過程を支配している水の構造と物性を総合的に検討するため,近接場効果を利用した新しいサブミクロン顕微分光法を開発し,また,天然岩石中の水分布の詳細と様々な人工薄膜水,水溶液の性質を顕微赤外分光法,減衰全反射赤外分光法により測定した.
1)近接場顕微分光法の開発
近接場顕微分光装置による様々な標準試料での定量性を検討し,約1%以上程度の含水量の物質で水の状態と分布の測定が可能であることがわかった.めのうにおいては,空間分解能250ナノメータ程度で,異なる水の状態と分布が示唆され,粒界の水がより水素結合の短い「かたい」水であることが示唆された.
2)地殻・マントル物質での水分布測定
地殻・マントル物質について,既存の顕微赤外分光計を用いて数十数百ミクロン領域での測定を行い,水の分布を定量的に解析した.地球深部への水の循環を調べるため,世界で最も深部(約200km)までもぐりこんだ超高圧変成岩中の水分布を調べたところ,輝石やガーネットの欠陥に伴う水が2000ppm程度含まれていることがわかり,沈み込みに伴い多量の水が地球深部へもたらされていることが示唆された.また,マグマ(含水流紋岩質ガラス)中微小領域での水の顕微赤外測定に必要なモル吸光係数を決定し,天然火山噴出物での測定や,含水火山ガラスからの脱水その場観測を可能にした.さらに,地殻岩石せん断帯周辺試料中流体包有物の顕微赤外加熱その場観測を行い,せん断帯付近と離れたところでの流体の性質が著しく異なり,せん断帯周辺の水は「やわらかく」,結晶粒界に「ぬれ」やすく,流れやすいことが示唆された.低変成度珪質変成岩中の含水量は,変成度(温度あるいは深度)の増大とともに減少するが,この含水量の減少は粒径に反比例しており,水は主に結晶粒界に存在していることが明らかとなった。
3)人工粒界薄膜水および様々な水溶液の測定
様々な物質にはさまれた人工薄膜水(純水)の顕微赤外その場観測を,ユトレヒト大学,パリ南大学と共同で行い,おそよ100nm程度の薄膜水は,水素結合距離が氷に近い構造化した「かたい」水であることがわかった.また,物質の種類と方位によって,水の構造化の有無に差がみられた.様々な組成の水溶液のOH吸収帯を減衰全反射赤外分光法で調べ,溶存イオンと温度によって水溶液の構造が変化することがわかった.
以上の結果を議論し総括するため,水の物理化学に関する世界の専門家を招き,2003年9月13日東工大にて国際シンポジウム「水の物理化学と物質・地球のダイナミクス」を開催し,その成果を,英文の書籍として出版予定である(Nakashima, S, Mercury, L., Fenter, P. and Spiers, C.J.(2004) "Physicochemistry of Water and Dynamics of Materials and the Earth- Structures and behaviors of the thin film water -", Universal Academy Press, Tokyo, 〜200p.)
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