研究課題
挑戦的研究(萌芽)
水の惑星とも呼ばれる地球において、マントル－水反応は普遍的な現象であり、火山や地震なども含めた地球内部活動に多大に影響を及ぼす。マントル中での水の挙動を知ることは極めて重要であるため、本研究では特に重要な「プレートからマントルへの水の移動」と「マントルの水和」の2つに焦点を当てて研究を進める。研究遂行のためには中性子イメージングの利用が不可欠であり、日本のような沈み込み帯の直下における地学現象の可視化を目指す極めて挑戦的な研究である。最終的にはマントルウェッジ周辺での流体の挙動と役割を解明する。
本研究の目的は、高温高圧下における「ケイ酸塩鉱物」と「水流体」の間の相互作用の直接観察である。従来のX線イメージングではコントラストが小さく、観察が困難であったため、水の検出に特化した「中性子イメージング」に挑戦する。さらに、2次元イメージングだけでなく、コンピュータ断層撮影(CT)も取り入れることで、3次元的な情報を抽出し、沈み込み帯における水が関与している地学現象の可視化を目指す。本研究において、大きな挑戦が2点ある。1つ目は「高温高圧下での中性子イメージング測定」という技術的な挑戦である。本手法を確立することができれば、高温高圧発生プレス内の鉱物と水を区別して観察することが可能となる。今後の中性子イメージング+CTを利用した地球科学の発展にも繋がり、極めて波及効果が高い。2つ目は「マントルウェッジ周辺の水の挙動の可視化」という地球科学的な挑戦である。水が関与している地球内部現象の直接観察という今までよりさらに1歩先に進んだアプローチをとる。従来とは異なる切り口から研究を進めることで、マントルウェッジ周辺での流体の挙動と役割の解明に繋がる有益な実験データを提供することが可能である。今年度は茨城県東海にあるJ-PARCのMLF内におけるPLANETビームラインにおいて高温高圧下における中性子イメージングの取得に成功した。温度や圧力の増減に対応した水素濃度の変化をイメージングから定量的に捉えることができた。複数の濃度既知の物質の中性子イメージングを撮影し、検量線を引くことで、X線イメージングでは不可能な高温高圧下における試料中の水素量の定量を実現させた。
2: おおむね順調に進展している
今年度は茨城県東海にあるJ-PARCのMLF内におけるPLANETビームラインにおいて高温高圧下における中性子イメージングの取得に成功した。温度や圧力の増減に対応した水素濃度の変化をイメージングから定量的に捉えることができた。複数の濃度既知の物質の中性子イメージングを撮影し、検量線を引くことで、X線イメージングでは不可能な高温高圧下における試料中の水素量の定量を実現させた。
高温高圧下における中性子イメージングの実験・開発を引き続き進めていく。また、Paris-Edinburghプレスを回転ステージに載せることで中性子CTの取得も目指す。3次元構造の可視化・液体体積の決定などを行うことで、2次元イメージングだけでは得られない新しい情報の抽出に挑戦する。そして、得られた研究成果は学会や国際誌で発表することで世界に発信する。
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