沈み込み帯鉱物の高温高圧構造と相変化

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13304041
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 工藤 康弘 東北大学, 大学院・理学研究科, 教授 (30107693)
• 研究分担者: 鍵 裕之 東京大学, 大学院・理学系研究科, 助教授 (70233666) ; 栗林 貴弘 東北大学, 大学院・理学研究科, 助手 (20302086) ; 長瀬 敏郎 東北大学, 総合学術博物館, 助教授 (10237521)
• キーワード: 含水ringwoodite / ダイヤモンドアンビル / 放射光 / δ-AlOOH / X線 / 空間群 / 結晶構造 / 高圧相

研究概要

1680℃,23GPaの温度圧力条件で合成された含水ringwoodite単結晶,Mg_<1.97>SiH_<0.06>O_4につき,高エネルギー加速器研究機構,放射光実験施設,BL-10Aの放射光とダイヤモンドアンビル高圧装置を用いてX線回折強度を7.9GPaまでの各圧力下で測定し解析した.測定された格子定数の圧力変化からBirch-Murnaghanの状態方程式を用いて得られた体積弾性率は無水のringwooditeの値と変わらないが,H_2O含有量0.2wt%として外挿すると182GPaとなるから誤差の範囲内と考えられる.結合距離の圧力変化の特徴は,Si-O距離は圧力によってほとんど変化せず,Mg-O距離が圧力により顕著に変化している.このことから含水ringwooditeではMg→2Hの置換のため体積弾性率が大きく減少することがわかった.
含水ringWooditeにおける水素の可能な位置の考察から含水ringwooditeのH_2O含有量の上限(3.3wt%)と,関連するforsteriteにおける水素の可能な位置とH_2O含有量の上限(0.78wt%)を見出した.
1000℃,21GPaで合成されたδ-AlOOHの単結晶につき,X線回折強度の測定を行った.測定した結晶の化学組成は(Al_<0.84>Mg_<0.07>Si_<0.09>)H_<0.98>O_2で,かなりの量のMgとSiが含まれる.空間群は対称心の無いPnn2と決定された.結晶構造を精密化した後,差フーリエ合成によって水素原子の位置を求めた.その結果H1とH2の2種類の水素原子位置が見出された.これは,H1がAlOOHに対応し,H2がMgOOH_2に対応するものであることを示す.このことはMgOOH_2がδ-AlOOHやStishovite, SiO_2と同じルチル構造の結晶構造を持つことを示すもので,MgOOH_2の高圧相の存在の可能性を示唆する.

研究成果

• [文献書誌] Kudoh, Y., Kuribayashi, T., Mozobata, H., Ohtani, F, Sasaki, S., Tanaka, M.: "Crystal structure of hydrous ringwoodite, γ-Mg_<1.97>SiH_<0.03>O_4"KEK Activity Report. 2002#20. 205 (2003)
• [文献書誌] Kudoh, Y., Kuribayashi, T., Mozobata, H., Ohtani, F, Sasaki, S., Tanaka, M.: "Effect of pressure on the crystal structure of hydrous ringwoodite, γ-Mg_<1.97>SiH_<0.03>O_4"KEK Activity Report. 2002-2. 167 (2003)
• [文献書誌] Kudoh, Y., Kuribayashi, T., Kagi, H., Sasaki, S., Tanaka, M.: "Compression of O-H…O distances of phase A, Mg_7Si_2H_6O_<14>"KEK Progress Report. 2002-2. 162 (2003)
• [文献書誌] Kuribayashi, T., Kudoh, Y., Tanaka, M.: "Crystal structure of humite, Mg_7Si_3O_<12>(OH, F)_2 at 2.7 Gpa"KEK Progress Report. 23002-2. 170 (2003)
• [文献書誌] Komatsu, K., Kuribayashi, T., Kudoh, Y.: "Effect of temperature and pressure on the crystal structure of topaz, Al_2SiO_4 (OH, F)_2"Journal of Mineralogical and Petrological Sciences. 98. 167-180 (2003)
• [文献書誌] Kudoh, Y.: "Structural relation of phase A to ringwoodite : predicted possible low-pressure polymorph of Mg7Si2H6O14 (phase All) derived as recombination structure from forsterite"Physics of the Earth and Planetary Interiors. (In press). (2004)