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

• 研究課題/領域番号: 15J09669
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 岩石・鉱物・鉱床学
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 辻野 典秀 岡山大学, 惑星物質研究所, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2017年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Ishii Takayuki、Tsujino Noriyoshi、Arii Hidekazu、Fujino Kiyoshi、Miyajima Nobuyoshi、Kojitani Hiroshi、Kunimoto Takehiro、Akaogi Masaki
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 102 号: 10 ページ: 2113-2118
  • DOI: 10.2138/am-2017-6050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pressure generation to 65 GPa in a Kawai-type multi-anvil apparatus with tungsten carbide anvils (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 37 号: 4 ページ: 507-515
  • DOI: 10.1080/08957959.2017.1375491
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of boron-doped diamond and its application as a heating material in a multi-anvil high-pressure apparatus (2017)
  • 著者名/発表者名: Longjian Xie, Akira Yoneda, Takashi Yoshino, Daisuke Yamazaki, Noriyoshi Tsujino, Yuji Higo, Yoshinori Tange, Tetsuo Irifune, Toru Shimei, Eiji Ito
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 88 号: 9 ページ: 093904-093904
  • DOI: 10.1063/1.4993959
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Grain growth of epsiron-iron: Implications to grain size and its evolution in the Earth’s inner core (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Yamazaki, N. Tsujino, A. Yoneda, E. Ito, T. Yoshino, Y. Tange, and Y. Higo
  • 雑誌名: Earth and Planetary Science Letters 巻: 459 ページ: 238-243
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2016.11.049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 二次元単色X線回折を用いたカンラン石の粒成長カイネティクス (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsujino, N., Noritake, F., Sakurai, M., Higo, Y., Funakoshi, K., Takahashi, E.
  • 雑誌名: SPring-8/SACLA利用研究成果集 巻: 4 号: 2 ページ: 161-165
  • DOI: 10.18957/rr.4.2.161
  • NAID: 130007969102
  • ISSN: 2187-6886
  • 年月日: 2016-07-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of cation substitution on bridgmanite elasticity: A key to interpret seismic anomalies in the lower mantle (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Fukui, Akira Yoneda, Akihiko Nakatsuka, Noriyoshi Tsujino, Seiji Kamada, Eiji Ohtani, Anton Shatskiy, Naohisa Hirao, Satoshi Tsutsui, Hiroshi Uchiyama, Alfred Q. R. Baron
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 33337-33337
  • DOI: 10.1038/srep33337
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mantle dynamics inferred from the crystallographic preferred orientation of bridgmanite (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Tsujino, Y. Nishihara, D. Yamazaki, Y. Seto, Y. Higo, E. Takahashi
  • 雑誌名: Nature 巻: 539 号: 7627 ページ: 81-84
  • DOI: 10.1038/nature19777
  • NAID: 120006331948
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of pressures over 40 GPa using Kawai-type multi-anvil press with tungsten carbide anvils (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Rev. Sci. Instrum. 巻: 87 号: 2 ページ: 24501-24501
  • DOI: 10.1063/1.4941716
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Elastic wave velocity anomalies of anorthite in subducting plate: In situ experiments (2015)
  • 著者名/発表者名: Kyoko N. MATSUKAGE, Yu NISHIHARA, Fumiya NORITAKE, Katsuyuki KAWAMURA, Noriyoshi TSUJINO, Moe SAKURAI, Yuji HIGO, Junichi NAKAJIMA, Akira HASEGAWA, Eiichi TAKAHASHI
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: in press 号: 8-9 ページ: 1856-1865
  • DOI: 10.2138/am-2015-5240
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ブリッジマナイトのその場応力―歪測定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 辻野 典秀、山崎 大輔、櫻井 萌、XU Fang、肥後 祐司
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 辻野 典秀
  • 学会等名: 第58回高圧討論会
• [学会発表] ブリッジマナイトのクリープ強度 (2017)
  • 著者名/発表者名: 辻野 典秀・山崎 大輔・櫻井 萌・肥後 祐司・丹下 慶範
  • 学会等名: 第58回高圧討論会
• [学会発表] Rheological properties of bridgmanite based on deformation experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: Noriyoshi Tsujino, Daisuke Yamazaki, Takashi Yoshino, Moe Sakurai, Yuji Higo and Yoshinori Tange
  • 学会等名: AGU fall meeting 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Formation of metallic Fe in the lower mantle (2016)
  • 著者名/発表者名: Noriyoshi Tsujino, Jennifer Girard, Ercan E. Alp and Shun-ichiro Karato
  • 学会等名: AGU Fall meeting 2016
  • 発表場所: San Francisco
  • 年月日: 2016-12-12
  • 国際学会
• [学会発表] Crystallographic-preferred-orientation of (Mg,Fe)SiO3-bridgmanite : implications for the mantle dynamics in the lower mantle (2015)
  • 著者名/発表者名: N Tsujino, Y. Nishihara, D. Yamazaki, Y. Seto, E, Takahashi
  • 学会等名: AGU fall meeting 2015
  • 発表場所: Sanfrancisco
  • 年月日: 2015-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] Lattice Preferred Orientation of Bridgmanite: Implications for Seismic Anisotropy in the Lower Mantle (2015)
  • 著者名/発表者名: N Tsujino, Y. Nishihara, D. Yamazaki, Y. Seto
  • 学会等名: Goldschmidt 2015 conference
  • 発表場所: Prague
  • 年月日: 2015-08-16
  • 国際学会