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地球内部における含水マグマの構造と挙動の総合的理解

研究課題

研究課題/領域番号 20J22919
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
審査区分 小区分17040:固体地球科学関連
研究機関東北大学

研究代表者

大橋 智典  東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2022年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード含水マグマ / X線回折 / 中性子回折 / 第一原理計算 / 高温高圧 / 分子動力学計算 / 液体構造
研究開始時の研究の概要

地下数百kmでは含水マグマの存在が地球内部観測から示唆されている。マグマの地球内部での重力的安定性を本質的に理解するためには、その微視的構造の決定が必要である。常圧から約6GPaの圧力では、マグマはその化学組成と含水量によって多様な圧縮挙動を示し、高圧下での物性も多様だと期待される。
本研究では、マグマの網目構造と水素の結合形態の圧力依存性に注目する。約6GPaまでの高温高圧X線・中性子回折実験と第一原理計算を行い、
(1)マグマの圧力誘起構造変化が化学組成によってどのように異なるか、
(2)無水マグマと含水マグマで構造の圧縮挙動にどのような差異が見られるか、
を解明する。

研究実績の概要

本研究は、地下数百kmでの存在が地球物理学的観測から示唆されている、含水マグマの構造決定の実験と数値計算による解明を目指している。しかし、高圧下の含水マグマ中の水素位置やその構造上の役割を実験研究例はなく、未解明の問題が多い。そこで、本研究では常圧から約6-10万気圧における含水Na珪酸塩メルト(マグマの模擬組成)の構造を放射光X線回折実験(XRD)と中性子回折(ND)実験から調べた。より詳細な構造の情報を得るため、第一原理分子動力学(FPMD)計算も行った。
結果、XRD・ND実験のデータから、H-O距離が圧縮により伸びると判明した。また、無水マグマのSi-Si距離が圧力増加に伴い収縮したのに対し、含水マグマでは殆ど一定であった。これは水によるSiO4四面体のなす網目構造の非重合化に起因する圧縮メカニズムの差異であると判明した。
またFPMD計算の結果から、(1)圧縮下では、低圧条件でNaの占めるドメイン構造が優先的に圧縮し、ある程度圧力が高くなるとその圧縮メカニズムが飽和し、より圧力に対する構造の応答が鈍くなった。このような圧縮機構の変化は、無水・含水マグマの両方において熱力学的な量の圧力依存性にも反映されていた。(2)圧縮による反応は、SiO4四面体の重合反応と-OH基と近くのSiO4四面体が近づく反応によって、NaをSiO4四面体付近から遠ざけるものであった。(3)SiO4四面体のなす網目構造は水によって非重合化すると知られているが、その構造変化は網目構造の局所的な配向秩序の喪失としてより一般的に理解できた。
本研究の成果は、マグマの圧力・含水量による構造変化のメカニズムを詳細に記述したばかりでなく、Mg珪酸塩など他の代表的な組成のマグマの構造物性との系統的な比較をも容易にした。この意味で、本研究はマグマの構造を統一的に理解する上での意義も大きいと期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和4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

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] バイエルン地球科学研究所(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Bayerishes Geoinstitut(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] バイロイト大学、バイエルン地球科学研究所(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Structure of basaltic glass at pressures of up to 18 GPa2021

    • 著者名/発表者名
      Ohashi Tomonori、Sakamaki Tatsuya、Funakoshi Ken-ichi、Hattori Takanori、Hisano Naoki、Abe Jun、Suzuki Akio
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: in press 号: 3 ページ: 325-335

    • DOI

      10.2138/am-2021-7742

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 東北大学大学院 理学研究科 地学専攻 量子ビーム地球科学研究室(高圧地球科学)2021

    • 著者名/発表者名
      OHASHI Tomonori
    • 雑誌名

      高圧力の科学と技術

      巻: 31 号: 2 ページ: 122-123

    • DOI

      10.4131/jshpreview.31.122

    • NAID

      130008111049

    • ISSN
      0917-639X, 1348-1940
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Elastic properties and structures of pyrope glass under high pressures2021

    • 著者名/発表者名
      Hisano Naoki、Sakamaki Tatsuya、Ohashi Tomonori、Funakoshi Ken-ichi、Higo Yuji、Shibazaki Yuki、Suzuki Akio
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 106 号: 1 ページ: 7-14

    • DOI

      10.2138/am-2020-7410

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of alkali and alkaline-earth cations on the high-pressure sound velocities of aluminosilicate glasses2020

    • 著者名/発表者名
      Aoki Koji、Sakamaki Tatsuya、Ohashi Tomonori、Ikeda Osamu、Suzuki Akio
    • 雑誌名

      Physics and Chemistry of Minerals

      巻: 47 号: 6 ページ: 28-28

    • DOI

      10.1007/s00269-020-01098-3

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Structural change and speciation of hydrous sodium silicate melts under pressure2023

    • 著者名/発表者名
      大橋智典
    • 学会等名
      Russia-Japan online Seminar
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高圧その場中性子・X線回折実験から探る玄武岩質ガラスの構造:回折ピークと酸素の配位構造の圧力依存性2023

    • 著者名/発表者名
      大橋智典
    • 学会等名
      2022年度 J-PARC MLF 利用者懇談会 液体・非晶質研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Structure of hydrous sodium silicate melts at high pressures and high temperatures by in-situ neutron and X-ray diffraction experiments2022

    • 著者名/発表者名
      大橋智典
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structure of hydrous sodium silicate melts at high pressures and high temperatures by in-situ neutron and X-ray diffraction experiments2022

    • 著者名/発表者名
      大橋智典
    • 学会等名
      Earth, Sea and Sky VII: International Joint Graduate Program Workshop in Earth and Environmental Sciences
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structure of basaltic glass at pressures up to 18 GPa by in-situ X-ray and neutron diffraction experiments2022

    • 著者名/発表者名
      18.T. Ohashi*, T. Sakamaki, K. Funakoshi, T. Hattori, N. Hisano, J. Abe, A. Suzuki
    • 学会等名
      Russia-Japan online Seminar
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Pressure-induced structural change of basaltic glass up to 18 GPa2021

    • 著者名/発表者名
      17.T. Ohashi*, T. Sakamaki, K. Funakoshi, T. Hattori, N. Hisano, J. Abe, A. Suzuki
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of water on the structure of sodium silicate melts under pressure2020

    • 著者名/発表者名
      T. Ohashi、T. Sakamaki、K. Funakoshi、M. Muranushi、C. Shito、O. Ikeda、Y. Shibazaki、A. Suzuki
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      https://orcid.org/my-orcid?orcid=0000-0002-2682-7415

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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