鉱物－マグマ間の2価鉄および3価鉄分配の決定とマントル酸化還元度進化モデルの構築

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K18655
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 桑原 秀治 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (50505394)
• 研究分担者: 中田 亮一 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(高知コア研究所), 主任研究員 (50726958) ; 門屋 辰太郎 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究プログラム), Young Research Fellow (60801347)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• キーワード: 鉄価数 / マントル酸化還元度 / マグマオーシャン

研究実績の概要

本研究は地球上部マントルおよび下部マントルの酸化鉄の価数分布に制約を加えることを目的としている。本年度はマントル形成前段階の金属核形成期におけるマグマオーシャン中の酸化鉄の価数に関する実験的制約を行った。具体的には圧力16～28 GPaの条件において、金属鉄共存下における橄欖岩、玄武岩組成マグマの2価鉄の不均化反応を制約した。その結果、圧力20GPa付近において2価鉄の不均化反応が急激に起こり始め、28GPaでは最大約40mol%のFe3+が金属鉄共存下においても2価鉄の不均化反応によって生成することが明らかとなった。この値は地球上部マントルの値に比べ、一桁程度高く、金属鉄がマグマオーシャンから効率よく除去された場合、非常に酸化的なマグマオーシャンが形成されたことを示唆する。
また、マグマオーシャン固化過程における鉱物－マグマ間の2価鉄と3価鉄の分配を調べる前段階として、予備的な実験を行った。具体的には地球の主要材料物質と考えられているエンスタタイトコンドライトを基にしたマントル(Javoy et al., 2010)に関する融解相関係を下部マントル圧力条件(23～27GPa)において実験的に制約し、部分溶融温度条件およびリキダス相を明らかにした。その結果、当該圧力条件においてフェロペリクレースがリキダス相である橄欖岩に対し、エンスタタイトコンドライト的な物質から成るマグマオーシャンではブリッジマナイトがリキダス相となることが明らかとなった。

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

本年度ではマグマオーシャン固化過程の前段階におけるマグマの鉄価数を制約することができた。得られた実験結果はすでに論文にまとめ、国際学術誌に投稿準備中である。したがって、本研究課題は順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

次年度ではマグマオーシャン固化過程における鉱物－マグマ間の2価、3価鉄分配に関する実験を行っていく予定である。すでに下部マントル圧力条件(23GPa)において、ブリッジマナイトとマグマが共存する試料は作成できているため、次年度は試料分析に集中する予定である。また、それと同時に実験結果を入れた簡単なマントル酸化還元度進化モデルの構築にも取り組む。

次年度使用額が生じた理由

当初予定していた研究者間の打ち合わせに伴う出張が新型コロナウィルス感染状況の悪化に伴い、行うことができなかったため、旅費として計上していた額を使用することができなかった。次年度は大学からの出張制限が緩和される見込みのため、繰越金は旅費に使用する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Low Velocity Zones in the Martian Upper Mantle Highlighted by Sound Velocity Measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Xu F.、Siersch N. C.、Gr?aux S.、Rivoldini A.、Kuwahara H.、Kondo N.、Wehr N.、Menguy N.、Kono Y.、Higo Y.、Plesa A.‐C.、Badro J.、Antonangeli D.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: e2021GL093977
  • DOI: 10.1029/2021GL093977
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Continuous measurement of ultrasonic elastic wave velocities, X-ray radiography and X-ray diffraction of Zr₅₀Cu₄₀Al₁₀ metallic glass at high pressure and high temperature conditions (2021)
  • 著者名/発表者名: Kono Yoshio、Higo Yuji、Gr?aux Steeve、Shibazaki Yuki、Yamada Rui、Kuwahara Hideharu、Kondo Nozomi
  • 雑誌名: High Pressure Research 巻: 41 ページ: 219～232
  • DOI: 10.1080/08957959.2021.1941000
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nearly Carbon‐Saturated Magma Oceans in Planetary Embryos During Core Formation (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuwahara Hideharu、Itoh Shoichi、Suzumura Akimasa、Nakada Ryoichi、Irifune Tetsuo
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: e2021GL092389
  • DOI: 10.1029/2021GL092389
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-throughput isotope analysis of sub-nanogram sized lead using MC-ICP-MS with on-line thallium doping technique and desolvating nebulizer system (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagaishi Kazuya、Nakada Ryoichi、Ishikawa Tsuyoshi
  • 雑誌名: GEOCHEMICAL JOURNAL 巻: 55 ページ: 1～9
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0612
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spatial distribution and speciation of sulfur in Ediacaran limestones with μ-XRF imaging and XANES spectroscopy: Implications for diagenetic mobilization of sulfur species (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsu'ura Fumihiro、Nakada Ryoichi、Usui Tomohiro、Sawaki Yusuke、Ueno Yuichiro、Kajitani Iori、Saitoh Masafumi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 306 ページ: 20～43
  • DOI: 10.1016/j.gca.2021.05.010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pennsylvanian paleoclimatic record in rhythmites developed on an oceanic island of low-latitude Panthalassa (2021)
  • 著者名/発表者名: Kakizkaki Yoshihiro、Kano Akihiro、Ota Yasuhiro、Nakada Ryoichi、Nagaishi Kazuya、Kashiwagi Kenji
  • 雑誌名: Sedimentary Geology 巻: 424 ページ: 105992～105992
  • DOI: 10.1016/j.sedgeo.2021.105992
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Survey of impact glasses in shergottites searching for Martian sulfate using X-ray absorption near-edge structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Shidare Masashi、Nakada Ryoichi、Usui Tomohiro、Tobita Minato、Shimizu Kenji、Takahashi Yoshio、Yokoyama Tetsuya
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 313 ページ: 85～98
  • DOI: 10.1016/j.gca.2021.08.026
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] MINERALOGY AND SULFUR X-RAY ABSORPTION NEAR-EDGE STRUCTURE (S-XANES) ANALYSIS OF BOCKFJORD VOLCANIC COMPLEX CARBONATES, A POTENTIAL MARTIAN ANALOG (2022)
  • 著者名/発表者名: Chang-Chin Wang, Haruna Sugahara, Tomohiro Usui, Ryoichi Nakada, Mizuho Koike, Hans Amundsen
  • 学会等名: Lunar an Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] SPECIATION OF SULFUR IN CARBONATES IN A 4.1-BILLION-YEAR-OLD MARTIAN METEORITE (2022)
  • 著者名/発表者名: Iori Kajitani, Ryoichi Nakada, Mizuho Koike, Gaku Tanabe, Tomohiro Usui, Fumihiro Matsu’ura, Keisuke Fukushi, Hiroyuki Kurokawa, Tetsuya Yokoyama
  • 学会等名: Lunar an Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental Studies on Phase Equilibria, Density and Sound Velocities of Martian Mantle Assemblages (2021)
  • 著者名/発表者名: Siersch, Nicki und Xu, Fang und Marceline, Anne-Elisabeth und Greaux, Steeve und Rivoldini, A. und Kuwahara, Hideharu und Kondo, Nozomi und Wehr, Nicolas und Menguy, N. und Kono, Yoshino und Higo, Yuji und Plesa, Ana-Catalina und Badro, James und Antonangeli, D.
  • 学会等名: 2021 AGU fall meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rock-magnetic and mineralogical properties of the exsolved magnetite in plagioclase crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Sato, Masashi Ushioda, Ryoichi Nakada, Yujiro Tamura, Shinji Yamamoto
  • 学会等名: 2021 JpGU meeting
• [学会発表] Redox change by coseismic water-rock reactions in the interior of planets (2021)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Hirose, Ryoichi Nakada, Keishi Okazaki, Takazo Shibuya
  • 学会等名: 2021 JpGU meeting
• [学会発表] The micro-scale speciation analyses of sulfur in the Ediacaran limestones: Implications for diagenetic mobilization of sulfur species. (2021)
  • 著者名/発表者名: Fumihiro Matsuura, Ryoichi Nakada, Yusuke Sawaki, Yuichiro Ueno, Masafumi Saitoh, Iori Kajitani, Tomohiro Usui
  • 学会等名: 2021 JpGU meeting
• [学会発表] Relationship between the abundance of the exsolved magnetite and the valence state of iron in single plagioclase crystal separated from Doshi gabbro (2021)
  • 著者名/発表者名: Yujiro Tamura, Masahiko Sato, Ryoichi Nakada, Chie Kato, Shinji Yamamoto
  • 学会等名: 2021 JpGU meeting
• [学会発表] Investigation of “Martian nitrogen cycle” and its evolution based on in-situ analyses of meteorites (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizuho Koike, Ryoichi Nakada, Kajitani Iori, Haruna Sugahara, Tomohiro Usui
  • 学会等名: 2021 JpGU meeting
• [学会発表] Interaction between Cerium and H2O in Hydrous Rhyolitic Melts (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤 望、河野 義生、尾原 幸治、中田 亮一、伊奈 稔哲、Skrzypek Etienne、山田 明寛、齊藤 哲
  • 学会等名: 2021 JpGU meeting