下部マントル中に存在するシリカ鉱物の解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14740310
• 研究機関: 独立行政法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 小野 重明 独立行政法人海洋研究開発機構, 固体地球統合フロンティア研究システム, 研究員 (20313116)
• キーワード: シリカ / 相転移 / 高温高圧 / 下部マントル / ゲルマニウム酸化物

研究概要

地球マントルがケイ酸塩鉱物で構成されているため、その基本要素であるシリカ鉱物を理解することは、地球科学において第一級の課題である。ところが、下部マントル中でどのような結晶構造を持ったシリカ鉱物が存在しているのかということに関しては、数多くの報告があるが、まだ、未解決の問題である。そこで、高温高圧実験によって下部マントルの条件を実現し、シリカ鉱物の高圧相を合成することを試みた。そして、放射光を用いた高温高圧X線その場観を行い、シリカ鉱物の結晶構造を明らかにすることを目的とした。
高圧発生装置としてはレーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルを使用した。放射光X回折実験は大型放射光施設SPring-8で行った。実験出発試料としては石英の微粉末を用いた。約20ギガパスカルの圧力条件で加熱を行うと、石英はシリカの高圧相であるスティショバイトへ相転移した。この結果は過去の研究と調和的である。そして、さらに圧力を上げ70ギガパスカルにして加熱を行うと、CaCl2型のシリカ相に相転移した。過去に、ヨーロッパのグループが、α-PbO2型のシリカ相に相転移するという報告をしたが、この報告は間違いであることが判明した。過去の研究では、おそらく、相転移の際のカイネティクスの効果を正確に考慮できなかったため、準安定なシリカ高圧相を、熱力学的に安定な相と判断してしまったと思われる。本研究では、確認のために、シリカのアナログ物質であるゲルマニウム酸化物についても、同様の実験を行った結果、ゲルマニウム酸化物もシリカとまったく同じ相転移の様式をとることがわかり、互いに調和的な結果を得ることができた。

研究成果

• [文献書誌] S.Ono, K.Hirose, M.Murakami, M.Isshiki: "Post-stishovite phase boundary in SiO_2 determined by in situ X-ray observations"Earth Planet.Sci.Lett.. 203. 187-192 (2002)
• [文献書誌] S.Ono et al.: "Equation of state of Al-bearing stishovite to 40 GPa at 300 K"Am.Mineral.. 87. 1486-1489 (2002)
• [文献書誌] S.Ono, K.Hirose, T.Tsuchiya, Y.Ohishi: "High-pressure form of pyrite-type germanium dioxide"Phys.Rev.B. 68. 014103 (2003)
• [文献書誌] K.Shiraki, T.Tsuchiya, S.Ono: "Structural refinements of high-pressure phases in germanium dioxide"Acta.Cryst.Sec.B. B59. 701-708 (2003)
• [文献書誌] S.Ono, Y.Tange, I.Katayama, T.Kikegawa: "Equations of state of ZrSiO_4 phases in the upper mantle,"Am.Mineral.. 89. 185-188 (2004)