数理的手法による鉱物の溶解反応モデル選択とパラメータ抽出

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K14827
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 大柳 良介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海域地震火山部門(火山・地球内部研究センター), 特別研究員(PD) (90835729)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 溶解速度 / カンラン石 / 水熱実験

研究実績の概要

鉱物の溶解速度は，水ー鉱物相互作用の時間スケールを制約することができる重要なパラメータである．さらに，二酸化炭素地中貯留などの地圏利用技術を評価することができる基礎的なパラメータである．本研究では，カンラン石の溶解速度を明らかにする．本研究は大きく分けて（１）「熱水条件下におけるカンラン石の溶解速度測定」，及び（２）「データ駆動型手法による溶解速度パラメータの取得」の２つサブテーマから構成されている．
本年度は，（１）の「熱水条件下におけるカンラン石の溶解速度測定」について主に研究を進めた．まず，JAMSTECに設置されていた流通式水熱実験装置を立ち上げ，幅広いレンジで流量が調節できるようになった．また，当該実験装置を用いて，熱水条件下におけるカンラン石の溶解速度測定に挑戦した．溶液組成をICP-AESにより測定し，溶液組成の時間発展を観察した．結果，２００℃におけるカンラン石の溶解速度測定に初めて成功した．溶液組成の時間発展から，カンラン石の溶解の反応初期段階においては，MgとSiの量比が非化学量論的であったが，反応がすすむにつれ化学量論的溶解をすることがわかった．これは既往の低温における溶解速度測定と調和的であった．また，これまで報告されたカンラン石の溶解速度の中で一番高温だった１５０℃における溶解速度と比較して，２００℃における溶解速度は遅いことがわかった．
これらの成果は幕張メッセで開催された日本地球惑星科学連合大会や，日本鉱物科学会の年会で公表し，会議参加者と議論を行った．

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

当初の計画通り，カンラン石の熱水条件下における溶解速度測定に初めて成功した．まだ限られた温度条件のみの計測であるため，次年度以降はより幅広い温度条件における溶解速度の計測を試みる．

今後の研究の推進方策

当該年度は，２００℃におけるカンラン石の溶解速度測定に初めて成功した．同様に，より高温の３００℃におけるカンラン石の溶解速度測定についても挑戦した．しかし，二次鉱物が析出してしまい，溶解速度のみを測定することに成功していない．実験条件の１つである流体の流速が遅かったため二次鉱物が析出し，溶解速度のみを計測できなかったのだと考える．今後は，３００℃においても溶解速度を計測できる最適な実験条件を探りつつ，幅広い温度条件におけるカンラン石の溶解速度測定を行う．

次年度使用額が生じた理由

実験装置修繕費用を計上していたが，当該年度は実験装置が安定して動作しており，次年度使用額が生じた．次年度は，実験装置に交換が必要な部品が多くあると予想される．そのため，これらは実験装置の消耗品購入費として使用する．

研究成果

• [雑誌論文] Silica controls on hydration kinetics during serpentinization of olivine: Insights from hydrothermal experiments and a reactive transport model (2020)
  • 著者名/発表者名: Oyanagi Ryosuke、Okamoto Atsushi、Tsuchiya Noriyoshi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 270 ページ: 21～42
  • DOI: 10.1016/j.gca.2019.11.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sparse isocon analysis: A data-driven approach for material transfer estimation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuwatani Tatsu、Yoshida Kenta、Ueki Kenta、Oyanagi Ryosuke、Uno Masaoki、Akaho Shotaro
  • 雑誌名: Chemical Geology 巻: 532 ページ: 119345～119345
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2019.119345
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Formation of secondary olivine after orthopyroxene during hydration of mantle wedge: evidence from the Khantaishir Ophiolite, western Mongolia (2019)
  • 著者名/発表者名: Dandar Otgonbayar、Okamoto Atsushi、Uno Masaoki、Oyanagi Ryosuke、Nagaya Takayoshi、Burenjargal Ulziiburen、Miyamoto Tsuyoshi、Tsuchiya Noriyoshi
  • 雑誌名: Contributions to Mineralogy and Petrology 巻: 174 ページ: 86
  • DOI: 10.1007/s00410-019-1623-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sparse Modeling of Nonlinear Dynamics in Heterogeneous Reactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito Masaki、Kuwatani Tatsu、Oyanagi Ryosuke、Omori Toshiaki
  • 雑誌名: Neural Information Processing. ICONIP 2019 巻: 11954 ページ: 380～391
  • DOI: 10.1007/978-3-030-36711-4_32
  • 査読あり
• [学会発表] Dissolution kinetics of forsterite olivine at >200 °C: implication for the kinetics of serpentinization (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Oyanagi, Tatsu Kuwatani, Katsuhiko Suzuki
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Specifying rate constants and reaction path on the water-rock chemical reaction based on exchange Monte Carlo method and sparse modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Oyanagi, Tatsu Kuwatani, Toshiaki Omori
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Sparse Modeling of Nonlinear Dynamics in Heterogeneous Reactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Ito, Tatsu Kuwatani, Ryosuke Oyanagi, Toshiaki Omori
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Thermodynamic data of aqueous species for supercritical water-rock interaction: dissolution experiments and density-based extrapolation (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Okamoto, Hajime Ishii, Ryosuke Oyanagi, Noriyoshi Tsuchiya
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Modeling of the progressive evolution of subducting slab composition by sparse modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Kenta Yoshida, Tatsu Kuwatani, Kenta Ueki, Ryosuke Oyanagi, Shotaro Akaho
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Data-driven estimation of material transfer from bulk compositions (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsu Kuwatani, Kenta Yoshida, Kenta Ueki, Ryosuke Oyanagi, Shotaro Akaho
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Evidence for semi-brittle flow in mantle-wedge serpentinites under high pore fluid pressure and their implications for deep low frequency earthquakes (2019)
  • 著者名/発表者名: Kengo Kataoka, Yurina Nagata, Ken-ichi Hirauchi, Ryosuke Oyanagi, Atsushi Okamoto, Katsuyoshi Michibayashi
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
• [学会発表] Hydration and development of fracture network within oceanic lower crust: an evidence from CM1A of Oman Drilling (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Okamoto, Kazuki Yosida, Ryosuke Oyanagi, Oman Drilling Project Phase 2 Science Party3
  • 学会等名: Japan Geoscience Union meeting 2019
  • 招待講演
• [学会発表] Kinetics of silica metasomatism during serpentinization revealed by hydrothermal experiments on olivine-quartz-seawater system at 300℃ (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Oyanagi, Atsushi Okamoto, Noriyoshi Tsuchiya
  • 学会等名: European Geosciences Union General Assembly 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrothermal Alteration of the Crust-Mantle Transition and Upper Mantle in the Samail Ophiolite: Insights from the Oman Drilling Project (2019)
  • 著者名/発表者名: Gretchen L. Fruh-Green, Marta Grabowska, Ryosuke Oyanagi, Kosuke Kimura, Atsushi Okamoto, Tomoaki Morishita, Akihiro Tamura, Frieder Klein, Damon A. H. Teagle, Eiichi Takazawa, Judith A. Coggon, Juerg M. Matter, Peter B. Kelemen, and OmanDP Phase 2 Science Party
  • 学会等名: European Geosciences Union General Assembly 2019
  • 国際学会
• [学会発表] かんらん石の溶解速度から制約される蛇紋岩反応速度 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大柳良介，桑谷立，鈴木勝彦
  • 学会等名: 日本鉱物科学会２０１９年会
• [学会発表] Formation of fracture network and permeability enhancement during olivine hydration within oceanic lower crust (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Yoshida, Atsushi Okamoto, Ryosuke Oyanagi, Hiroyuki Shimizu, Noriyoshi Tsuchiya
  • 学会等名: International Conference on Ophiolites and the Oceanic Lithosphere
  • 国際学会
• [備考] 物質移動解析ソフトウェア「Sparse Isocon」
  • URL: http://dsap.jamstec.go.jp/