下部マントルにおけるマグマの密度と地球深部分化過程の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01985
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 鈴木 昭夫 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20281975)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: マグマ / マントル / 密度 / 状態方程式 / 放射光 / 量子ビーム

研究実績の概要

これまで、地球の下部マントルは鉄がFe2+であると考えられてきたが、近年の研究によってFe3+が多量に存在することが報告されている。そこで本研究では、下部マントル条件でFe3+を含むマントル組成の融解実験に取り組んだ。その結果、マントル中の鉄がFe2+の場合と比べて、Fe3+の方が同じ温度・圧力条件で発生するマグマの量が増加し、またマグマの化学組成は著しくSiO2成分に枯渇することが示された。また、高圧力下での密度を求めたところ、含水条件かつFe3+の系で生ずるマグマは下部マントルの平均密度よりも低くなることが分かった。海水と反応して水を含んだプレートが深部に沈み込んでいくことを想定すると、遷移層では含水鉱物が高温まで安定であるためマグマが発生しないのに対し、下部マントルに到達すると充分水を含むことができる含水相が無いために脱水および融解が起こってマグマが生ずる。この様なマグマは密度差によって上昇し、遷移層に保持される。以上のような過程により、下部マントルの分化が進むことが分かった。さて、マグマ中の鉄がFe2+のもの（溶存種がFeO）とFe3+ )のもの（溶存種がFe2O3）では、圧力の増加に伴う密度の変化が異なる。低い圧力下ではマグマ中の溶存種がFe2O3の場合はFeOの場合よりも密度が低いが、本研究によってFe2O3を含むマグマは圧縮率が大きく、FeOのものと比べて高圧力下で密度逆転を起こすことが示された。これにより、Fe3+を含む下部マントルにおいて発生したマグマの密度を求めることができるようになり、マグマの移動を詳細に検討することが可能になった。

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

本研究を推進するため、ドイツのバイエルン地球科学研究所およびドイツ電子シンクロトロン研究所に滞在して実験に取り組んだ。下部マントル条件下での融解実験を行い、発生するマグマの科学組成を明らかにすることができた。また、実験結果に基づいて地球深部の分化について議論を進められた。加えてマグマの密度測定を行い、高圧力下での任意の組成のマグマの密度を求める研究を進めることができた。この研究により、高圧力下でのマグマの密度変化のメカニズムを知ることができた。以上により、本研究は当初の計画どおり概ね順調に進展していると判断している。

今後の研究の推進方策

今年度についても、ドイツのバイエルン地球科学研究所およびドイツ電子シンクロトロン研究所に滞在し、国際共同研究に取り組むことを計画している。本研究では特に揮発性成分の寄与に着目している。高温高圧下におけるマグマの密度測定について、温度・圧力・化学組成の範囲を拡大し、マグマ中の成分の部分モル体積を高圧下で決定することによって、融解と固化に伴って化学組成が連続的に変化するマグマの密度を知ることを目指し、この結果を基にして地球深部の化学的分化過程を議論する。

研究成果

• [国際共同研究] バイエルン地球科学研究所/ドイツ電子シンクロトロン研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: バイエルン地球科学研究所/ドイツ電子シンクロトロン研究所
• [雑誌論文] Effect of sulfur on sound velocity of liquid iron under Martian core conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishida Keisuke、Shibazaki Yuki、Terasaki Hidenori、Higo Yuji、Suzuki Akio、Funamori Nobumasa、Hirose Kei
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 1954
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15755-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Viscosity of melt of soda melilite composition at high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: SUZUKI Akio
  • 雑誌名: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences 巻: 114 ページ: 41～44
  • DOI: 10.2465/jmps.180710
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-situ X-ray diffraction study on β-CrOOH at high pressure and high-temperature (2019)
  • 著者名/発表者名: Shito Chikara、Okamoto Keitaro、Sato Yuki、Watanabe Ryuji、Ohashi Tomonori、Fuchizaki Kazuhiro、Kuribayashi Takahiro、Suzuki Akio
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 39 ページ: 499～508
  • DOI: 10.1080/08957959.2019.1642884
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sound velocity measurements of ε-FeOOH up to 24 GPa (2019)
  • 著者名/発表者名: IKEDA Osamu、SAKAMAKI Tatsuya、OHASHI Tomonori、GOTO Masahisa、HIGO Yuji、SUZUKI Akio
  • 雑誌名: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences 巻: 114 ページ: 155～160
  • DOI: 10.2465/jmps.181115b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Compressional behavior and spin state of δ-(Al,Fe)OOH at high pressures (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohira Itaru、Jackson Jennifer M.、Solomatova Natalia V.、Sturhahn Wolfgang、Finkelstein Gregory J.、Kamada Seiji、Kawazoe Takaaki、Maeda Fumiya、Hirao Naohisa、Nakano Satoshi、Toellner Thomas S.、Suzuki Akio、Ohtani Eiji
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 104 ページ: 1273～1284
  • DOI: 10.2138/am-2019-6913
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrous magnesium-rich magma genesis at the top of the lower mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Ayano、Sakamaki Tatsuya、Kawazoe Takaaki、Suzuki Akio
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: －
  • DOI: 10.1038/s41598-019-43949-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Viscosity of K2TiSi4O11 melt at high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: SUZUKI Akio
  • 雑誌名: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences 巻: 114 ページ: 280～283
  • DOI: 10.2465/jmps.190730
  • 査読あり
• [雑誌論文] Do SnI4 molecules deform on heating and pressurization in the low-pressure crystalline phase? (2019)
  • 著者名/発表者名: Naruta Hiroki、Fuchizaki Kazuhiro、Wakabayashi Daisuke、Suzuki Akio、Ohmura Ayako、Saitoh Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 32 ページ: －
  • DOI: 10.1088/1361-648X/ab4cbc
  • 査読あり
• [雑誌論文] 圧力12 GPaまでの玄武岩組成ガラスの構造測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 坂巻竜也，大橋智典，久野直樹，舟越賢一，鈴木昭夫
  • 雑誌名: Photon Factory Activity Report 2018 巻: 36 ページ: －
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] ローソナイトの脱水と変形特性：稍深発地震発生メカニズム解明を目指して (2019)
  • 著者名/発表者名: 白石令，角田明博，武藤潤，澤燦道，鈴木昭夫
  • 雑誌名: Photon Factory Activity Report 2018 巻: 36 ページ: －
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] P-V-T equation of state of β-CrOOH (2019)
  • 著者名/発表者名: Shito, C., Okamoto, K., Sato, Y., Watanabe, R., Ohashi, T., Fuchizaki, K., Kuribayashi, T., and Suzuki, A.
  • 雑誌名: Photon Factory Activity Report 2018 巻: 36 ページ: －
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] 圧力下における含水ナトリウム珪酸塩融体の構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大橋智典，坂巻竜也，舟越賢一，村主樹，市東力，柴﨑裕樹，鈴木昭夫
  • 雑誌名: Photon Factory Activity Report 2018 巻: 36 ページ: －
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Melting experiments on hydrous peridotite at top of the lower mantle conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, A., Sakamaki, T. and Suzuki, A.
  • 雑誌名: Bayerisches Forschungsinstitut fur Experimentelle Geochemie und Geophysik, Universitat Bayreuth, ANNUAL REPORT 2018 巻: － ページ: 55-56
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] The stability of MgCO3 under iron-saturated lower mantle conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Maeda, F., Miyajima, N., Kamada, S., Hirao, N., Petitgirard, S., McCammon, C.A., Frost, D.J., Khandarkhaeva, S., Sakamaki, T. and Suzuki, A.
  • 雑誌名: Bayerisches Forschungsinstitut fur Experimentelle Geochemie und Geophysik, Universitat Bayreuth, ANNUAL REPORT 2018 巻: － ページ: 63-64
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single crystal X-ray structure study of δ-phase AlOOH-FeOOH-MgSiO2(OH)2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishii, T., Ohira, I., Kawazoe, T., Boffa Ballaran, T., Suzuki, A. and Ohtani, E.
  • 雑誌名: Bayerisches Forschungsinstitut fur Experimentelle Geochemie und Geophysik, Universitat Bayreuth, ANNUAL REPORT 2018 巻: － ページ: 83-84
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] AR-NE7A:X線イメージングおよび高温高圧実験ステーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 兵藤一行，船守展正，鈴木昭夫
  • 雑誌名: Photon Factory2018年度年報 巻: － ページ: 118
• [学会発表] Density measurement of magmas under high pressure by the sink/float method (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Light elements in iron-hydrous silicate system: Searching for core formation process using in-situ high-pressure and high-temperature neutron and X-ray observations (2020)
  • 著者名/発表者名: Iizuka-Oku, R., Gotou, H., Shito, C., Kagi, H., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Density of Fe3+-bearing magma at high pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Ban, R., Sakamaki, T., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Phase boundary and kinetics of moganite-coesite phase transition at high-pressure and high-temperature: implications for an impact event and trace of water on the Moon (2020)
  • 著者名/発表者名: Ozawa, S., Kayama, M., Sakamaki, T., Ohashi, T., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] High-pressure and -temperature experiments simulating the lunar KREEP layer and constraint on its water content (2020)
  • 著者名/発表者名: Muranushi, M., Kayama, M., Miyamoto, T., Kamada, S., Nagaoka, H., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Structure and density of H2O-rich Mg2SiO4 melts at high pressure from ab initio simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Steinle-Neumann, G., Yuan, L., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Semi-brittle behavior of lawsonite in high pressure deformation experiments (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi, R., Muto, J., Tsunoda, A., Sawa, S., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Melting experiments of hydrous peridotite under the uppermost lower mantle conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, A., Sakamaki, T., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Sound velocities of aluminosilicate glasses at high pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Aoki, K., Sakamaki, T., Ikeda, O., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of water on the structure of sodium silicate melts under pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Muranushi, M., Shito, C., Ikeda, O., Shibazaki, Y., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] High-PT neutron diffraction experiments on guyanaite: Pressure-temperature dependence of hydrogen bonding in hydrous minerals (2020)
  • 著者名/発表者名: Shito, C., Kagi, H., Sano-Furukawa, A., Kakizawa, S., Komatsu, K., Aoki, K., Iizuka-Oku, R., Machida, S., Furukawa, N., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Elastic property and structure of pyrope glass at high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: Hisano, N., Sakamaki, T., Ohashi, T., Funakoshi, K., Higo, Y., Shibazaki, Y., and Suzuki, A.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] The effect of water and redox state on melting at the top of the lower mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, A., Sakamaki, T., and Suzuki, A.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] High-pressure structural investigations for hydrous sodium silicate melts (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Muranushi, M., Shito, C., Shibazaki, Y., and Suzuki, A.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Viscosity of potassium titanosilicate melt at high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, A.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ X-ray observations of the olivine-spinel transformation under shear deformation: preliminary results on the reaction-induced weakening (2019)
  • 著者名/発表者名: Kubo, T., Moriyama, K., Mori, Y., Imamura, M., Koizumi, S., Nishihara, Y., Suzuki, A., and Higo, Y.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Rheology and frictional instability of lawsonite in high pressure deformation experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi, R., Muto, J., Tsunoda, A., Sawa, S., and Suzuki, A.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] High-pressure structures of hydrous sodium silicate melts (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Muranushi, M.. Shito, C., Shibazaki, Y., and Suzuki, A.
  • 学会等名: JSPS Japanese-German graduate externship International Workshop on “Volatile Cycles”
  • 国際学会
• [学会発表] A unique multianvil 6-6 assembly for a cubic-type multianvil apparatus (2019)
  • 著者名/発表者名: Fuchizaki, K., Wada, T., Naruta, H., Suzuki, A., and Irino, K.
  • 学会等名: 57th The European High Pressure Research Group (EHPRG) Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] High-pressure behavior of ε-FeOOH inferred from experimental study (2019)
  • 著者名/発表者名: Ikeda, O., Sakamaki, T., and Suzuki, A.
  • 学会等名: 57th The European High Pressure Research Group (EHPRG) Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ Raman spectroscopy of ε-FeOOH under high pressures (2019)
  • 著者名/発表者名: 池田理，坂巻竜也，鈴木昭夫
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Evaluation of the influence of alkali elements on hydrogen solubility of clinopyroxene for estimating water content of lunar mantle (2019)
  • 著者名/発表者名: 村主樹，鈴木昭夫，鹿山雅裕，宮本毅
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 地球深部における含水鉱物の水素結合対称化：高温高圧下におけるβ-CrOODの中性子回折実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 市東力，鍵裕之，佐野亜沙美，柿澤翔，小松一生，青木勝敏，飯塚理子，町田真一，古川登，鈴木昭夫
  • 学会等名: 日本地球化学会第66回年会
• [学会発表] 鉄－含水シリケイトの高温高圧X線イメージングによる地球進化過程の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 飯塚理子，後藤弘匡，鈴木昭夫，鍵裕之
  • 学会等名: 日本地球化学会第66回年会
• [学会発表] 高圧力下における含水非晶質ナトリウム珪酸塩の構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大橋智典，坂巻竜也，舟越賢一，服部高典，佐野（古川）亜沙美，村主樹，市東力，池田理，伊東義章，柴﨑裕樹，鈴木昭夫
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] δ-(Al, Fe)OOH単結晶の高圧合成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川添貴章，大平格，石井貴之，鈴木昭夫，大谷栄治
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] せん断変形場におけるオリビン－スピネル相転移：相転移誘起の軟化条件の探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 久保友明，森山一哉，森悠一郎，今村公裕，小泉早苗，西原遊，鈴木昭夫，肥後祐司，丹下慶範
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] 高圧力下におけるScOOHの相転移 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊東義章，池田理，窪田平海，坂巻竜也，栗林貴弘，鈴木昭夫
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] δ-AlOOHのP-V-T状態方程式 (2019)
  • 著者名/発表者名: 窪田平海，伊東義章，渡邉隆二，鎌田誠司，栗林貴弘，鈴木昭夫
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] 高温高圧下におけるSoda meliliteメルトの粘度に及ぼすCO2の効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木昭夫
  • 学会等名: 日本鉱物科学会 2019年年会
• [学会発表] 一軸圧縮変形場におけるオリビン－スピネル相転移実験 剪断不安定化条件の解明へ向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 森悠一郎，久保友明，今村公裕，山内幸子，小泉早苗，西原遊，鈴木昭夫，肥後祐司，丹下慶範
  • 学会等名: 日本鉱物科学会2019年年会
• [学会発表] 超音波法を用いたfcc-Feの弾性波速度測定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 柴﨑裕樹，西田圭佑，戸邉宙，寺崎英紀，鈴木昭夫，肥後祐司
  • 学会等名: 第60回高圧討論会
• [学会発表] Vibrational properties of ε-FeOOH under high pressures (2019)
  • 著者名/発表者名: 池田理，坂巻竜也，福井宏之，内山裕士，Baron A.Q.R.，鈴木昭夫
  • 学会等名: 第60回高圧討論会
• [学会発表] β-CrOOD(guyanaite)の高温高圧中性子回折測定と水素結合の温度圧力依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 市東力，鍵裕之，佐野亜沙美，柿澤翔，小松一生，青木勝敏，飯塚理子，町田真一，古川登，鈴木昭夫
  • 学会等名: 第60回高圧討論会
• [学会発表] Phase transitions of ScOOH under high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木昭夫
  • 学会等名: A01-2,A02,A03-1合同班会議
• [学会発表] Elucidation of the melting phenomenon at the top of the lower mantle under the reproduced redox and hydrous environment (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木昭夫
  • 学会等名: A01-2,A02,A03-1合同班会議
• [図書] 鉱物・宝石の科学事典 045 マグマの構造・物性 pp.137-139 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浦川啓、鈴木昭夫
  • 総ページ数: 664
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4-254-16276-9
• [備考] 量子ビーム地球科学研究室
  • URL: http://epms.es.tohoku.ac.jp/QuEST/