超高圧高温実験に基づいた下部マントルおよび境界層の構造と物性の研究

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07102003
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 八木 健彦 東京大学, 物性研究所, 助教授 (20126189)
• 研究分担者: 近藤 忠 東京大学, 物性研究所, 助手 (20252223)
• キーワード: 高圧 / X線その場観察 / ダイヤモンドアンビル / 焼結ダイヤモンド / ガ-ネット

研究概要

本年度は、昨年度新たに設計し製作したレーザー加熱ダイヤモンドアンビル装置の立ち上げとそれを用いた実験を集中的に行った。装置は高エネルギー物理研究所放射光実験施設のBL-13ハッチ内に設置し、S型課題として優先的に4月から12月までの間に計6週間以上のビームタイム配分を受け実験を行った。その結果ほぼ当初の目標どおり、100GPa以上の圧力発生と、炭酸ガスレーザーを用いた数千度までの加熱、および粉末X線その場回折実験が可能になった。定量的な温度測定やなどまだ残されている問題もあるが、基本的には満足できる性能をもつことが確認された。
この装置を使い、下部マントルで重要となるガ-ネットの高圧相に関し、新しい重要な発見が得られた。従来、ガ-ネットを50GPa以上で加熱すると六方晶のペロフスカイト相が生成するという報告があったが、その実態は不明であった。本研究ではパイロープを30GPa領域で転移させるとペロフスカイト相とアルミに富んだ相に分解し、同一試料を60GPa領域で転移させると斜方晶ペロフスカイトに転移すること、および後者のペロフスカイトは圧力を下げるとクエンチ出来ずに六方晶に変化することが明らかにされた。つまり、従来はクエンチ実験しか行われていなかったために、六方晶のペロフスカイト相が生成したと誤認されていたわけである。また回収試料の電顕観察から、このような変化はペロフスカイト中のAlの固溶量が圧力と共に増大するためであろうことが推測された。このような実験結果から、下部マントルの組成についての信頼度の高い議論が可能になりつつある。
また下部マントルのもう一つの主要構成鉱物と考えられるマグネシオヴスタイトの高圧相に関連して、MnOの高圧実験が110GPaまで行われた。90GPa付近で衝撃実験に対応する相転移が見いだされたが、予想に反して単純なB1-B2転移ではなく、複雑な構造の高圧相であることが確認され、解析が進行中である。
以上のようにまだ本研究は5年計画の2年目であるが、下部マントル条件下ではクエンチ出来ない高圧相が生成する例が2つも明らかにされ、当初のねらいどおりに研究が進行している。

研究成果

• [文献書誌] T.Yagi,N.Funamori: "Chemical compsition of the lower mantle inferred from the equation of state of MgSiO_3 perovskite" Phil.Trans.R.Soc.Lond.354. 1371-1384 (1996)
• [文献書誌] N.Funamori,T.Yagi,W Utsumi T.Kondo,T.Uchida,M.Funamori: "Thermoelastic properties of MgSiO_3 perovskite determived by in situ X ray obsenvations up to 30GPa and 2000K" J.Geophys.Res.101. 8257-8269 (1996)
• [文献書誌] N.Funamori,T.Yagi,T.Uchida: "High-pressure and high-temperature in situ X-ray diffraction study of iron to above 30GPa using MA8-type apparatus" Geophys.Res.Lett.23. 953-956 (1996)
• [文献書誌] N.Miyajima,K.Fujino T.Yagi,T.Kondo: "Analytical electron microscopy of garnet-perovskite transformation in a laser-heated diamond anvil cell" Proceedings of the 3rd NIRIM international Symposium on advanced materials (ISAM '96). 341-344 (1996)
• [文献書誌] T.Yagi,H.Yusa M.Yamakata: "An aparatus to load gaseous materials to the diamond-anvil cell" Rev.Sci.Instrum.67. 2981-2984 (1996)
• [文献書誌] N.Funamori,T.Yagi N.Miyajima,K.Fujino: "Transformation in garnet from orthorhombic perovskite to LiNbO_3 phase on release of pressure" Science. 275. 513-515 (1997)