川井型装置による核マントル境界の温度圧力発生とマントル最深部実験地球科学の展開

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22224008
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 米田 明 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (10262841)
• 研究分担者: 伊藤 英司 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 研究員 (00033259) ; 富岡 尚敬 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (30335418) ; 芳野 極 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (30423338) ; 山崎 大輔 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (90346693) ; 辻野 典秀 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 助教 (20633093)
• 研究期間 (年度): 2010-05-31 – 2015-03-31
• キーワード: 川井型装置 / D"層 / 下部マントル / 圧力発生

研究概要

本年度は特筆すべき成果を複数上げることができた。
大型放射光施設SPring-8のBL04B1に設置されている高圧発生装置を用いて、世界に先がけて、百万気圧を超える圧力発生を川井型マルチアンビル装置で確認した。百万気圧は地球深部の下部マントル最下部に相当する圧力である。本成果は、マントル最下部に位置するD”層の物質科学研究への道を切り開くものである。
さらにX線非弾性散乱法によりポストペロブスカイトのアナログ物質の結晶弾性を世界に先駆けて測定した。鉱物物理学分野において微小結晶の弾性はブリリュアン散乱法というレーザー光を使う方法で測られてきた。今回の試料はともに黒色不透明であるため、ブリリュアン散乱法は適用できない。そこで不透明試料でも測定可能な非弾性X線散乱法を用いた。ブリリュアン散乱法も非弾性X線散乱法もフォノン（試料内の格子振動の音子）とフォトン（光子）の相互作用を測定する点では同じであるが、使うフォトンのエネルギーが異なる。
SPring-8、BL35XUでは12個の散乱光受光素子が並列に設置されており、一回の測定で12個のデータが能率的に取得できるようになっている。入射X線に対し試料の方向を変えた測定を何回か実施し百個程度のデータを取得した。このデータに対し最小二乗法により結晶弾性を決定した。Cmcm-CaIrO3のa-b、b-c、c-a平面内の音速変化から、a-b平面とc-a平面内での二つのS波速度の大小関係が全く異なるのが見て取れた。この特徴の違いから、地震波で検出されたD”層の地域性をMgSiO3ペロブスカイトの選択配向の様式の違いで説明することができた。

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

本研究課題において、熱伝導率や結晶弾性などの測定は順調に進んでいる。当初の3年間で一番の目標である川井型装置での発生圧力の向上が目論見通り進まず苦慮していたが、本年度になって、一気に10GPa以上の向上である109GPa発生を確認し、遅れを相当挽回したと考えている。

今後の研究の推進方策

非弾性X線散乱法により不透明試料の結晶弾性が精度よく決定できることが確認できたので、ブリリュアン測定では不可能な金属試料の結晶弾性測定も実施していきたい。地球の核は金属鉄でできているので、金属試料の測定は固体地球科学においても重要である。
一方、今回の測定はアナログ物質の測定である。真の目標は、D”層の温度圧力条件下（~3000 K,~120 GPa）でのMgSiO3ペロブスカイト結晶弾性のその場測定である。大変困難な課題であるが、高圧地球科学コミュニティにおける主要課題の一つとして取り組んでいく。

研究成果

• [雑誌論文] Over 1 Mbar generation in the Kawai-type multianvil apparatus and its application to compression of (Mg0.92Fe0.08)SiO3 perovskite and stishovite, (2014)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki. D., Ito, E., Yoshino, T., Tsujino, N., Yoneda, A., Guo, X., Xu, F., Higo, Y., Funakoshi, K.
  • 雑誌名: Phys. Earth Planet. Inter. 巻: 228, ページ: 262-267
  • DOI: .doi.org/10.1016/j.pepi.2014.01.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Elastic anisotropy of experimental analogues of perovskite and post-perovskite help to interpret D” diversity (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoneda, A., Fukui, H., Xu, F., Nakatsuka, A., Yoshiasa, A., Seto, Y., Ono, K., Tsutsui, S., Uchiyama, H., Baron, A.Q.R.
  • 雑誌名: Nature commun 巻: 5 ページ: 3453
  • DOI: doi:10.1038/ncomms4453
  • 査読あり
• [雑誌論文] P-V-T relations of γ-Ca3(PO4)2 tuite determined by in situ X-ray diffraction in a large-volume high-pressure apparatus, (2013)
  • 著者名/発表者名: Zhai, S., Yamazaki, D., Xue, W., Ye, Lijin, Xu, Chaowen, Shan S., Ito, E., Yoneda, A., Yoshino, T., Guo, X., Shimojuku, A., Tsujino, N., Funakoshi,
  • 雑誌名: Am. Min. 巻: 98 ページ: 1811-1816
  • DOI: doi: 10.2138/am.2013.4403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Compressibility of pyrochlore-type MgZrSi2O7 determined by in situ X-ray diffraction in a large-volume high pressure apparatus, (2013)
  • 著者名/発表者名: Zhai, S., Shan, S., Yamazaki, D., Funakoshi, K
  • 雑誌名: High Pressure Res 巻: 33 ページ: 1-7
  • DOI: DOI: 10.1080/08957959.2012.750653
  • 査読あり
• [雑誌論文] Equation of state of γ-Fe: reference density for planetary cores, (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsujino, N., Nishihara. Y., Nakajima, Y., Takahashi, E., Funakoshi, K., Higo, Y.,
  • 雑誌名: Planet. Sci. Lett. 巻: 375 ページ: 244-253
  • DOI: .doi.org/10.1016/j.epsl.2013.05.040
  • 査読あり
• [学会発表] 川井型(6-8型)装置での100万気圧超の発生 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山崎大輔
  • 学会等名: 高圧討論会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 20131114-20131116
• [学会発表] 半導体尾ダイヤモンドヒーターの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 米田明
  • 学会等名: 高圧討論会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 20131114-20131116
• [学会発表] X線非弾性散乱法による含鉄ペロブスカイト結晶弾性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 福井宏之
  • 学会等名: 高圧討論会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 20131114-20131116
• [学会発表] GHz音速法とブリリュアン法の併用によるマントル鉱物の音速測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 米田明
  • 学会等名: 高圧討論会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 20131114-20131116
• [学会発表] Ｘ線非弾性散乱法によるアンチゴライトの結晶弾性の測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 米田 明
  • 学会等名: 高圧討論会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 20131114-20131116
• [備考] 岡山大学地球物質科学研究センターホームページ
  • URL: http://www.misasa.okayama-u.ac.jp/jp/
• [備考] 岡山大学地球物質科学研究センター地球内部研究室ホームページ
  • URL: http://www.misasa.okayama-u.ac.jp/~hacto/top_j.html