超高圧下における鉱物の相転移・融解とマントルの化学進化

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08404034
• 研究機関: 学習院大学
• 研究代表者: 赤荻 正樹 学習院大学, 理学部, 教授 (30126560)
• 研究分担者: 長沢 宏 学習院大学, 理学部, 教授 (80080464) ; 鈴木 敏弘 学習院大学, 理学部, 助手 (40235974)
• キーワード: 高圧実験 / カロリメトリー / マントル / ガーネット / ペロブスカイト / 珪酸塩メルト / 元素分配

研究概要

1. Mg_4Si_4O_<12>-Mg_3Al_2Si_3O_<12>系ポスト・ガーネット転移の相平衡関係を、前年度を大幅に上回る圧力条件で調べた。まずMg_3Al_2Si_3O_<12>ガーネットが1600℃では38GPaで単一相のぺロブスカイトに転移することを見出した。またこの系のガーネット-ペロブスカイト転移の詳細な相平衡図を1600℃で作成し、圧力とともにペロブス力イト固溶体中のMg_4Si_4O_<12>成分が増加すること、温度の上昇によっても同じ結果になることを明らかにした。これらの実験結果は、下部マントルではAl_2O_3成分がすべてペロブスカイト固溶体に固溶することを明示した。
2. さらにMg_4Si_4O_<12>-Mg_3Al_2Si_3O_<12>系ペロブスカイト固溶体を高温高圧で合成し、そのエンタルピーを測定した。そのデータに基づき、この系のガーネット-ペロブスカイト転移の相平衡関係を熱力学的に計算し、この転移が正の圧力-温度勾配を持つことを明らかにした。このことから、パイロライトマントルでは、マントル対流に対するポストスピネル転移(負勾配を持つ)とガーネット-ペロブスカイト転移の効果が相互にほぼ打ち消しあうという、重要な結論を得た。
3. MgAl_2O_4-CaAl_2O_4系の高温高圧相平衡を調べた。その結果、MgAl_2O_4とCaAl_2O_4ではそれぞれ26、9GPa以上の圧力でカルシウムフェライト型構造が安定であるが、この系の中間のほぼMg_2CaAl_6O_<12>組成では、六方晶系の高圧相が15GPa以上で安定になることを見出した。この相の構造解析がなされ、新構造であることが確定された。この相は、下部マントルの圧力下で、沈み込む海洋地殻中に存在しうる。
4. 高温高圧におけるCa-ペロブスカイト、メジャーライト、マグネシオウスタイトと珪酸塩メルト間の元素分配係数を、イオン半径を幅広く変化させた種々の主成分元素、微量元素に関して高精度に決定した。特にメジャーライトと珪酸塩メルト間の分配では、実験時間と分配係数の変化を調べ、化学平衡に達するには1時間程度の保持時間が必要であることが明らかになった。イオン半径と分配係数の関係では、Ca-ペロブスカイトでは、イオン半径0.5、1.0Åに分配係数の極大が現れるが、中間の0.8Åに極小があることが示された。

研究成果

• [文献書誌] Akaogi,M.: "High pressure dissociation of Fe_3Al_2Si_3O_<12> garnet:phase boundary determined by phase equilibrium experiments and calorimetry" Phys.Earth Planet.Inter. 106. 103-113 (1998)
• [文献書誌] Akaogi,M.: "Postspinel transformations in the system Mg_2SiO_4-Fe_2SiO_4:element partitioning,calorimetry,and thermodynamic calculation" High Pressure-Temperature Research:Properties of Earth and Planetary Materials. 373-384 (1998)
• [文献書誌] Suzuki,T.: "Element partitioning between some mantle minerals and the coexisting silicate melt under high pressure," High Pressure-Temperature Research:Properties of Earth and Planetary Materials. 261-270 (1998)
• [文献書誌] Ito,E.: "High Pressure transformations of pyrope(Mg_3Al_2Si_3O_<12>)in a sintered diamond cubic anvil assembly" Geophys.Res.Lett.25. 821-824 (1998)
• [文献書誌] Suzuki,T.: "Element partitioning between high pressure minerals and the coexisting silicate melt" Rev.High Pressure Sci.Technol.7. 98-100 (1998)
• [文献書誌] Akaogi,M.: "Calorimetric study on majorite-perovskite transition in the system Mg_4Si_4O_<12>-Mg_3Al_2Si_3O_<12>:transition boundaries with positive pressure-temperature slopes" Phys.Earth Planet.Interiors. (in press). (1999)