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2019 年度 実績報告書

微量な水のマントル物性への影響-アセノスフェア軟化の解明-

研究課題

研究課題/領域番号 17H01155
研究機関岡山大学

研究代表者

芳野 極  岡山大学, 惑星物質研究所, 教授 (30423338)

研究分担者 米田 明  岡山大学, 惑星物質研究所, 客員研究員 (10262841)
山崎 大輔  岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (90346693)
辻野 典秀  岡山大学, 惑星物質研究所, 助手 (20633093)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード水 / マントル / 地震波減衰 / 電気伝導度 / オリビン / ゼーベック係数 / アセノスフェア
研究実績の概要

マントルに水が存在すると岩石の融点を下げるだけでなく、マントルの物性に多大な影響を与えることが指摘されてきた。マントルの進化・ダイナミクスを考慮する上で水のマントルの物性への影響の理解は重要である。特にマントルの力学的に柔らかい部分であるアセノスフェアの軟化の成因における水がどのような役割を果たしているかは重要なトピックとなっている。しかしながら、どの程度の量の水が、どのようにマントルの物性へ影響しているかを特定することは簡単ではない。本研究では、微量な水を含むマントル鉱物中の水の物性への影響を、水の量、酸素雰囲気の関数として、弾性定数、減衰(Q値)、電気伝導度、熱起電力を高圧実験の手段によって決定し、地球物理学的な観測データと比較することにより、地球のマントルに存在する水の量と分布の定量化を行うことを目的とする。
本年度は、地震波の減衰への水の効果を決定するために、10ppm以下から200ppmを超える水を含む細粒のフォルステライトの多結晶体を合成して、大型放射光施設SPring-8における高圧下その場観察で実施した。本研究課題で導入した全真空型顕微赤外分光器を用いて合成オリビン試料の赤外吸収スペクトルから、水の量を見積もった。減衰測定を行った試料のスペクトルを実験後に測定し、水の量が測定中に大きく変化していないことを確認した。その結果、水がより多く存在する試料では減衰が大きくなる効果が測定した周波数領域において大きくなることが認められ、さらに5秒程度の周期に特徴的な減衰ピークが現れることが分かった。このことから、マントル中の水を定量化するために、地震波の減衰は重要なパラメータであることが示唆され、アセノスフェアで観測される地震波の減衰現象を水の存在の視点から見直す必要がある。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究の重要なターゲットとして掲げている地震波の減衰に与える水の効果に関する研究で、大型放射光施設SPring-8
の実験において、水の効果が先行研究の測定結果とは異なりもっと大きい可能性があるというデータが得られた。これは、オリビンにTiを導入して含水化させた試料と本研究での通常のMgサイトとSiサイトを含水化させた試料の違いに起因していると考えられる。現在論文にまとめる段階に至っており、本年度は特筆すべき進展が減衰測定においてあった。また、本研究課題で開発する世界でも類稀な高温高圧下での温度差を制御した熱起電力測定について、導電性の高いシリコンについてデュアル加熱システムを使って高圧下の測定を行った。Siの測定で得られたゼーベック係数の絶対値温度依存性は既存の文献値と調和的な結果であり、この新手法については国際誌の査読を受け、信頼できる手法として認められた。この方法論の確立によって、今後、含水オリビンのゼーベック係数を行う素地が完成した。これらのことから、次年度の最終年度に向けて、本研究課題は当初の計画通り着実に遂行していると評価することができる。

今後の研究の推進方策

高圧下でのゼーベック係数の測定法が今年度で確立されたことから、最終年度は含水オリビンの電荷の移動機構の特定を目指して測定を開始する。今までに測定に成功した電気伝導性の良い物質に比べ、電気伝導度の低いオリビンは熱起電力のシグナルが弱いことが予想され、測定が難しいものと思われる。このため、オリビンの鉄濃度を増加させることによって、電気伝導度を高くすることで、熱起電力のシグナルを捉えることを予定している。そして徐々に実際のマントル組成に近いオリビン組成のものを測定する。Mg#が90程度のものがうまく測定できない場合は、鉄の濃度の高い試料の結果を外挿する予定である。地震波減衰への水の影響に関する実験は、大体、結果が出てきたが、相補的に水がない場合の減衰への影響を調査して多角的にアセノスフェアの減衰の原因を考察する必要がある。岩石が融解するより低い温度で、減衰の現象が現れることがアナログ物質の測定から指摘されており、水が無くかつ融点以下でも減衰が起こりうる。この現象はプレメルティングと呼ばれており、この効果を実際の岩石組成で確認することも必要である。具体的には、無水のペリドタイトを合成して、その試料を出発物質として融点直下近傍での減衰挙動を調査する。これらの研究から総合的にアセノスフェアの軟化の原因を制約していく。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (16件) (うち国際共著 6件、 査読あり 16件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 8件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] 中国科学技術院/中国地質大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学技術院/中国地質大学
  • [雑誌論文] Grain boundary diffusion of W in lower mantle phase with implications for isotopic heterogeneity in oceanic island basalts by core-mantle interactions2020

    • 著者名/発表者名
      T. Yoshino, Y. Makino, T. Suzuki, T. Hirata
    • 雑誌名

      Earth and Planetary Science Letters

      巻: 530 ページ: 115887

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2019.115887

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Temperature-enhanced electrical conductivity anisotropy in partially molten peridotite under shear deformation2020

    • 著者名/発表者名
      B. Zhang, T. Yoshino
    • 雑誌名

      Earth and Planetary Science Letters

      巻: 530 ページ: 115922

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2019.115922

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Pressure dependence of graphitization: Implications for rapid recrystallization of carbonaceous material in a subduction zone2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura, T. Yoshino, M. Satish-Kumar
    • 雑誌名

      Contributions to Mineralogy and Petrology

      巻: 175 ページ: 32

    • DOI

      10.1007/s00410-020-1667-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Measurement of the Seebeck coefficient under high pressure by dual heating2020

    • 著者名/発表者名
      T. Yoshino, R. Wang, H. Gomi, Y. Mori
    • 雑誌名

      Review of Scientific Instruments

      巻: 91 ページ: 35115

    • DOI

      10.1063/1.5143525

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Technique, cell assembly, and measurement of T-dependent electrical resistivity of liquid Fe devoid of contamination at P, T conditions2020

    • 著者名/発表者名
      Ezenwa Innocent C.、Yoshino Takashi
    • 雑誌名

      Review of Scientific Instruments

      巻: 91 ページ: 023903~023903

    • DOI

      10.1063/1.5112045

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermal expansion of natural mantle spinel using in situ synchrotron X-ray powder diffraction2019

    • 著者名/発表者名
      J. Yamamoto, T. Yoshino, D. Yamazaki, Y. Higo, Y. Tange, J. Torimoto
    • 雑誌名

      Journal of Material Sciences

      巻: 54 ページ: 139-148

    • DOI

      10.1007/s10853-018-2848-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of water on the magnesite?iron interaction, with implications for the fate of carbonates in the deep mantle2019

    • 著者名/発表者名
      Martirosyan N.S.、Shatskiy A.、Chanyshev A.D.、Litasov K.D.、Podborodnikov I.V.、Yoshino T.
    • 雑誌名

      Lithos

      巻: 326-327 ページ: 435~445

    • DOI

      10.1016/j.lithos.2019.01.004

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Phase transition of wadsleyite-ringwoodite in the Mg2SiO4-Fe2SiO4 system2019

    • 著者名/発表者名
      Tsujino Noriyoshi、Yoshino Takashi、Yamazaki Daisuke、Sakurai Moe、Sun Wei、Xu Fang、Tange Yoshinori、Higo Yuji
    • 雑誌名

      American Mineralogist

      巻: 104 ページ: 588~594

    • DOI

      10.2138/am-2019-6823

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The Effect of Water on Fe‐Mg Interdiffusion Rates in Ringwoodite and Implications for the Electrical Conductivity in the Mantle Transition Zone2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Baohua、Yoshino Takashi、Zhao Chengcheng
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      巻: 124 ページ: 2510~2524

    • DOI

      10.1029/2018JB016415

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Penetration of molten iron alloy into the lower mantle phase2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshino Takashi
    • 雑誌名

      Comptes Rendus Geoscience

      巻: 351 ページ: 171~181

    • DOI

      10.1016/j.crte.2018.06.013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-pressure generation in the Kawai-type multianvil apparatus equipped with tungsten-carbide anvils and sintered-diamond anvils, and X-ray observation on CaSnO3 and (Mg,Fe)SiO32019

    • 著者名/発表者名
      Yamazaki Daisuke、Ito Eiji、Yoshino Takashi、Tsujino Noriyoshi、Yoneda Akira、Gomi Hitoshi、Vazhakuttiyakam Jaseem、Sakurai Moe、Zhang Youyue、Higo Yuji、Tange Yoshinori
    • 雑誌名

      Comptes Rendus Geoscience

      巻: 351 ページ: 253~259

    • DOI

      10.1016/j.crte.2018.07.004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of iron content on thermal conductivity of olivine with implications for cooling history of rocky planets2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Youyue、Yoshino Takashi、Yoneda Akira、Osako Masahiro
    • 雑誌名

      Earth and Planetary Science Letters

      巻: 519 ページ: 109~119

    • DOI

      10.1016/j.epsl.2019.04.048

    • 査読あり
  • [雑誌論文] H‐D Interdiffusion in Single‐Crystal Olivine: Implications for Electrical Conductivity in the Upper Mantle2019

    • 著者名/発表者名
      Sun Wei、Yoshino Takashi、Kuroda Minami、Sakamoto Naoya、Yurimoto Hisayoshi
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      巻: 124 ページ: 5696~5707

    • DOI

      10.1029/2019JB017576

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fate of water in subducted hydrous sediments deduced from stability fields of FeOOH and AlOOH up to 20?GPa2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshino Takashi、Baker Edward、Duffey Kyle
    • 雑誌名

      Physics of the Earth and Planetary Interiors

      巻: 294 ページ: 106295~106295

    • DOI

      10.1016/j.pepi.2019.106295

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Resistivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity of platinum at high pressure and temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Gomi Hitoshi、Yoshino Takashi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 ページ: 214302

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.214302

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrical Conductivity of Omphacite as a Function of Water Content and Implications for High Conductivity Anomalies in the Dabie‐Sulu UHPM Belts and Tibet2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Baohua、Zhao Chengcheng、Ge Jianhua、Yoshino Takashi
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Solid Earth

      巻: 124 ページ: 12523~12536

    • DOI

      10.1029/2019JB018826

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Intrinsic attenuation factor Q of partially molten Fe-S system2019

    • 著者名/発表者名
      Chao Liu, Takashi Yoshino
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Redox kinetics of olivine revealed by diffusion profile of oxygen fugacity and its implication to the redox evolution of the uppermost mantle2019

    • 著者名/発表者名
      Chengcheng Zhao, Takashi Yoshino
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Measurement of T-dependent electrical resistivity of solid and liquid Fe and Pt at fixed P2019

    • 著者名/発表者名
      Innocent Ezenwa, Takashi Yoshino
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Fate of water in subducted hydrous sediments deduced from stability fields of FeOOH and AlOOH up to 20 GPa2019

    • 著者名/発表者名
      Takashi Yoshino, Edward Baker, Kyle Duffey
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrical resistivity and thermal conductivity of fcc Fe: Stratification of Mercury's core2019

    • 著者名/発表者名
      五味 斎 ・ 芳野 極
    • 学会等名
      第60回高圧討論会
  • [学会発表] マルチアンビルプレスを用いた熱電性能測定技術2019

    • 著者名/発表者名
      森嘉久・中野法大・石山剛史・芳野極
    • 学会等名
      第60回高圧討論会
  • [学会発表] 他元素ドープ黒リンの高圧合成と物性評価2019

    • 著者名/発表者名
      野口直樹・藤井優輝・斎藤隆宏・芳野極・劉超・岡村英一
    • 学会等名
      第60回高圧討論会
  • [学会発表] ポストスピネルの剪断変形実験2019

    • 著者名/発表者名
      山崎大輔・辻野典秀・西原遊・芳野極
    • 学会等名
      第60回高圧討論会
  • [学会発表] 高圧下の溶融鉄の電気抵抗測定2019

    • 著者名/発表者名
      芳野極・Innocent Ezenwa
    • 学会等名
      第60回高圧討論会
  • [学会発表] Effect of iron content on thermal conductivity of olivine with implications for cooling history of rocky planets2019

    • 著者名/発表者名
      Youyue Zhang, Takashi Yoshino, Akira Yoneda, Masahiro Osako
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Toward organization of a new field on fast process in Earth and planetary science2019

    • 著者名/発表者名
      Takashi Yoshino
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electrical resistivity and thermal conductivity of fcc Fe: Implications for the Mercury窶冱 core2019

    • 著者名/発表者名
      Hitoshi Gomi, Takashi Yoshino
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Seebeck coefficient of olivine: Implausible Mercury's thermoelectric dynamo2019

    • 著者名/発表者名
      Hitoshi Gomi, Takashi Yoshino, Akira Yoneda
    • 学会等名
      JpGU2019
    • 国際学会

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公開日: 2021-01-27  

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