衝撃圧縮法による高密度含水鉱物の相図拡張とマントル深部への水輸送プロセスの考察

• 研究課題/領域番号: 21J01448
• 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: 京都大学
• 研究代表者: 梅田 悠平 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教
• 研究期間 (年度): 2021-04-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2021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: 含水鉱物 / 衝撃圧縮 / X線自由電子レーザー / 融解 / 高圧実験 / その場光学計測

研究開始時の研究の概要

惑星深部に存在する高密度含水マグネシウムケイ酸塩が水の輸送特性や内部構造に与える影響を明らかにすることを目的として衝撃圧縮実験を行う。これまで第一原理計算でしか予測されてこなかった温度圧力条件における高密度含水マグネシウムケイ酸塩の密度変化や融解・脱水反応の様子をその場観測することによって、実際の惑星深部において安定性を保ち、それらが水の輸送や貯蔵にどのような影響を与えるかを議論する。

研究実績の概要

本研究の目的は、地球や巨大地球型惑星（スーパーアース）マントルの水輸送特性に重要な役割を果たしている含水鉱物の圧縮特性や相境界（固体-液体境界、脱水分解境界、金属転移境界など）の理解を従来より遥かに高い圧力領域まで拡張し、地震波速度データや計算結果などと、直接比較検討を可能とすることによって、実際の惑星深部において安定性を保ち、それらが水の輸送や貯蔵にどのような影響を与えるかを議論することである。今年度は、蛇紋石（アンチゴライト）に対して、①大阪大学レーザー科学研究所におけるユゴニオ計測実験と②Spring-8, SACLAにおけるその場X線回折実験を行った。①の実験の結果、従来データより遥かに高い圧力領域（300万気圧から1000万気圧）における衝撃圧縮特性（ユゴニオ）データの取得に成功した。本研究によって、スーパーアースマントル環境における圧力-密度指標を初めて決定した。本実験結果と低圧側の先行研究結果の比較を行うと、150~300万気圧における圧縮特性に不連続（圧力増加に伴い、密度が減少）が生じていることが明らかになった。②の実験の結果、150 万気圧を超える圧力領域において、蛇紋石の融解が起きていることが明らかになった。この融解開始圧力は、圧縮特性の不連続領域とよく一致している。本研究で明らかとなった高温高圧下の蛇紋石の構造変化に伴う密度変化は、スーパーアース内部構造モデリング、水輸送特性などに大きな影響を与えると考えられる。
また、本年度実験の過程で実験ターゲットの構造、レーザー条件、光学計測条件などの最適化や改善策の評価を行った。今後はレーザーパルスを制御した実験と高圧相に対する実験を行うことによって、温度上昇を制御し、より広範な温度圧力領域の開拓を行う。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Hugoniot and released state of calcite above200GPa with implications for hypervelocity planetary impacts (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuhei Umeda, Keiya Fukui, Toshimori Sekine, Marco Guarguaglin, Alessandra Benuzzi-Mounaix, Nobuki Kamimura, Kento Katagiri, Ryosuke Kodama, Takeshi Matsuoka, Kohei Miyanishi, Alessandra Ravasio, Takayoshi Sano, Norimasa Ozaki
  • 雑誌名: Icarus 巻: 377 ページ: 114901-114901
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114901
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hugoniot equation-of-state and structure of laser-shocked polyimide C22H10N2O5 (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, D. Murayama, K. Nonaka, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Miyanishi, H. Nakamura, T. Okuchi, T. Sano, Y. Seto, K. Shigemori, K. Sueda, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 105 号: 5 ページ: 054103-054103
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.054103
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Micron-scale phenomena observed in a turbulent laser-produced plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Rigon G.、Albertazzi B.、Pikuz T.、Mabey P.、Bouffetier V.、Ozaki N.、Vinci T.、Barbato F.、Falize E.、Inubushi Y.、Kamimura N.、Katagiri K.、Makarov S.、Manuel M. J.-E.、Miyanishi K.、Pikuz S.、Poujade O.、Sueda K.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Gregori G.、Kodama R.、Casner A.、Koenig M.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22891-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast olivine-ringwoodite transformation during shock compression (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Okuchi, Y. Seto, N. Tomioka, T. Matsuoka, B. Albertazzi, N. J. Hartley, Y. Inubushi, K. Katagiri, R. Kodama, T. A. Pikuz, N. Purevjav, K. Miyanishi, T. Sato, T. Sekine, K. Sueda, K. A. Tanaka, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, T. Yabuuchi, M. Yabashi, N. Ozaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 4305-4305
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24633-4
  • NAID: 120007141957
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] レーザー衝撃圧縮法を用いた高圧下の惑星物質の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梅田 悠平
  • 学会等名: 第56回学術講演会
• [学会発表] レーザー衝撃圧縮法で再現する高速天体衝突極限環境における含水鉱物の高圧物性計測と時間分解構造観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅田 悠平、奥地 拓生、関根 利守、佐野 孝好、犬伏 雄一、片桐 健登、兒玉 了祐、宮西 宏併、瀬戸 雄介、清水 健二、篠田 圭司、末田 敬一、富樫 格、冨岡 尚敬、藪内 俊毅、尾崎 典雅
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
  • 招待講演
• [学会発表] パワーレーザー/XFEL利用によるフォルステライトの高速相転移と高速融解 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥地 拓生,富岡 尚敬,尾崎 典雅,瀬戸 雄介,兒玉 了祐, 宮西 宏併,関根 利守,梅田 悠平,薮内 俊毅
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
  • 招待講演
• [学会発表] X線自由電子レーザーによるナノ多結晶ダイヤモンド超高速変形のその場観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 片桐 健登、尾崎 典雅、DRESSELHAUS-MARAIS Leora、EGGERT Jon H、犬伏 雄一、松岡 健之、宮西 宏併、西山 宣正、末田 敬一、関根 利守、瀬戸 雄介、丹下 慶範、入舩 徹男、富樫 格、 梅田 悠平、矢橋 牧名、籔内 俊毅、兒玉 了祐
  • 学会等名: 第62回高圧討論会