カンラン石多結晶体中の不適合元素の固溶限界

• 研究課題/領域番号: 18K03799
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17040:固体地球科学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小泉 早苗 東京大学, 地震研究所, 特任研究員 (60792504)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022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); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 上部マントル / 多結晶体 / 粒径効果 / 不純物 / 偏析 / カンラン石 / 粒径 / 不純物効果 / オリビン / プラズマ放電焼結法 / かんらん石 / 破壊靭性値 / ビッカース硬さ / ビッカース / 破壊靭性 / 粒径サイズ効果 / 焼結 / 破壊靱性 / 微量元素 / 固溶度

研究成果の概要

岩石中の微量元素は、鉱物粒界に偏析して地球内部の物理・化学的性質そのものを劇的に変化させる。そのため、微量元素の粒界における最大固溶量を定量化する事は、岩石の本質を知る上で、基本的な情報となる。本研究ではカンラン石多結晶体中の不適合元素の固溶限界の実測を目指して、粒界の実効体積が非常に高い試料の合成技術と、粒径制御技術、微量元素添加技術、試料局所領域の元素濃度分析の確立を行った。不純物元素添加試料として、純粋なカンラン岩に特定の粒界偏析元素を添加した試料と天然由来原料から合成した多種多様な不純物元素を含む試料を準備した。合成試料の粒界近傍における3次元の元素マッピングと濃度測定を実施した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

岩石中の狭い構造体である粒界近傍での不適合元素の固溶量の定量化を可能にする試料合成及び元素添加技術、三次元元素マッピング・濃度測定の手法を確立した。合成した高品質の試料は、岩石の粒界の物理化学現象の測定に最適でマントル物性の化学効果の解明に貢献できると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Aluminum Components in Bridgmanite Coexisting With Corundum and the CF‐Phase With Temperature (2023)
  • 著者名/発表者名: Wang Lin、Liu Zhaodong、Koizumi Sanae、Ballaran Tiziana Boffa、Katsura Tomoo
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 128 号: 1 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1029/2022jb025739
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Diffusion Creep Characteristics of Anorthite Revealed by Uniaxial and Pure Shear Deformation Experiments (2023)
  • 著者名/発表者名: Yabe K.、Koizumi S.、Hiraga T.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 128 号: 3 ページ: 1-32
  • DOI: 10.1029/2022jb024752
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancement of ductile deformation in polycrystalline anorthite due to the addition of water (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Junichi、Muto Jun、Koizumi Sanae、Sawa Sando、Nagahama Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Structural Geology 巻: 156 ページ: 104547-104547
  • DOI: 10.1016/j.jsg.2022.104547
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stress-induced amorphization triggers deformation in the lithospheric mantle (2021)
  • 著者名/発表者名: Samae Vahid、Cordier Patrick、Demouchy Sylvie、Bollinger Caroline、Gasc Julien、Koizumi Sanae、Mussi Alexandre、Schryvers Dominique、Idrissi Hosni
  • 雑誌名: Nature 巻: 591 号: 7848 ページ: 82-86
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03238-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Diffusion Creep of Diopside (2021)
  • 著者名/発表者名: Ghosh S.、Koizumi S.、Hiraga T.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 126 号: 1 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1029/2020jb019855
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of deformation on helium storage and diffusion in polycrystalline forsterite (2020)
  • 著者名/発表者名: Delon Remi、Demouchy Sylvie、Marrocchi Yves、Bouhifd Mohamed Ali、Gasc Julien、Cordier Patrick、Koizumi Sanae、Burnard Pete G.
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 273 ページ: 226-243
  • DOI: 10.1016/j.gca.2020.01.018
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vickers indentation tests on olivine: size effects (2020)
  • 著者名/発表者名: Koizumi Sanae、Hiraga Takehiko、Suzuki Tohru S.
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Minerals 巻: 47 号: 2 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1007/s00269-019-01075-5
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Creep mechanisms in the lithospheric mantle inferred from deformation of iron-free forsterite aggregates at 900-1200°C (2019)
  • 著者名/発表者名: Gasc Julien、Demouchy Sylvie、Barou Fabrice、Koizumi Sanae、Cordier Patrick
  • 雑誌名: Tectonophysics 巻: 761 ページ: 16-30
  • DOI: 10.1016/j.tecto.2019.04.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure, temperature, water content, and oxygen fugacity dependence of the Mg grain-boundary diffusion coefficient in forsterite (2018)
  • 著者名/発表者名: Fei, H., Koizumi, S., Sakamoto, N., Hashiguchi, M., Yurimoto, H., Marquardt, K., Miyajima N., & Katsura, T.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 103 号: 9 ページ: 1354-1361
  • DOI: 10.2138/am-2018-6480
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Synthesis of highly dense fine-grained upper mantle composites from sedimentary mud in the peridotite quarry (2022)
  • 著者名/発表者名: Sanae Koizumi (東京大学), Takehiko Hiraga (東京大学)
  • 学会等名: American Geophysical Union fall meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Grain-boundary Energy Variation and Evolution during Dislocation-assisted Grain-boundary Sliding in Polycrystaline Mg2SiO4 - Linking Earth and Materials Sciences (2022)
  • 著者名/発表者名: Marquardt K, Austin A, Sedlak M, Ferreira F, Hansen L, Koizumi S
  • 学会等名: Materials Science & Technology 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Grain Boundary Energy Variation Related to the GBPD in Forsterite, Mg2SiO4, as a Function of Grain Size (2022)
  • 著者名/発表者名: Austin A, Sedlak M, Rossett L, Koizumi S, Marquardt K
  • 学会等名: Materials Science & Technology 2022
  • 国際学会
• [学会発表] オリビンの硬さと破壊靱性におけるサイズ効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: *小泉 早苗、平賀 岳彦
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [学会発表] Han S, Smith R, Gorman MG, Koizumi S, Braun D, Eggert J, Duffy TS (2021)
  • 著者名/発表者名: In-situ X-ray diffraction of forsterite ramp-compressed to terapascal pressures at the National Ignition Facility: Initial results
  • 学会等名: American Geophysical Union fall meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] D111 型装置を用いた一軸圧縮変形場における Mg2SiO4 のオリビン－スピネル相転移の放射光その場観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森悠一郞、久保友明、 小泉早苗、 西原遊、 鈴木昭夫
  • 学会等名: 日本高圧力学会
• [学会発表] 放電プラズマ焼結法を用いた極細粒緻密地殻及びマントル鉱物多結晶体の創製 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小泉早苗 、平賀岳彦
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] オリビンの硬さと破壊靱性におけるサイズ効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小泉 早苗, 鈴木 達, 平賀 岳彦
  • 学会等名: 日本地球惑星連合大会
• [学会発表] Microstructural investigation of olivine deforming by grain boundary sliding (2019)
  • 著者名/発表者名: Patrick Cordier,Vahid Samaee,Hosni Idrissi,Julien Gasc,Sylvie Aude Demouchy,Fabrice Barou,Sanae Koizumi
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ X-ray observations of the olivine-spinel transformation under shear deformation: preliminary results on the reaction-induced weakening (2019)
  • 著者名/発表者名: 久保友明, 森山一哉, 森悠一郞, 今村公裕, 小泉早苗, 西原遊, 鈴木昭夫, 肥後祐司
  • 学会等名: 日本地球惑星連合大会
• [学会発表] せん断変形場におけるオリビン-スピネル相転移：相転移誘起の軟化条件の探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 久保友明, 森悠一郞, 今村公裕, 小泉早苗, 西原遊, 鈴木昭夫, 肥後祐司, 丹下慶範
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] Grain-size effect on the hardness of olivine (2018)
  • 著者名/発表者名: Sanae Koizumi, Thoru S Suzuki, Takehiko Hiraga
  • 学会等名: Japan Geophysical Union Meeting
• [学会発表] Creep Mechanisms in the Lithospheric Mantle Inferred from Deformation of Iron-Free Forsterite Aggregates at 900-1200°C (2018)
  • 著者名/発表者名: Sylvie Aude Demouchy, Julien Gasc, Fabrice Barou, Sanae Koizumi
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Micro-indentation tests on olivine: grain-size and indentation size effects (2018)
  • 著者名/発表者名: Sanae Koizumi, Thoru S Suzuki, Takehiko Hiraga
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall meeting
  • 国際学会