高圧含水マグネシウムケイ酸塩の構造と物性に関する理論的研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 03J10333
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 土屋 旬 (三牧 旬) 東京大学, 大学院・理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Keywords: 水素結合 / 含水鉱物 / 第一原理計算 / 圧縮挙動

Research Abstract

本研究の目的は地球内部への水の輸送にかかわる、また地球内部における水の貯蔵相になり得る高圧マグネシウムケイ酸塩(DHMS)の構造と物性を明らかにすることである。DHMSの中でも特にマントル遷移層や下部マントル圧力条件下において安定な含水D相、スーパーハイドラスB相,含水β相、含水γ相を対象に研究を行う。本年度は高圧含水マグネシウムケイ酸塩の中でも最も高圧で安定である含水D相の第一原理電子状態計算を行った。
高圧下での実験による水素位置の決定は技術的に非常に難しいため,第一原理電子状態計算によって理論的にそれを決定する。本研究に用いた計算手法は擬ポテンシャル法に基づく第一原理電子状態計算法である。まず、信頼できる計算結果を得るために擬ポテンシャルの作成と計算条件の決定を行った。さらに水素位置を決定し、実験で報告されている格子定数との比較により計算結果の検証を行った。さらに高圧下での圧縮挙動について調べた。計算により得られた圧縮挙動は非常に実験結果とよく一致した。さらにこの含水D相の水素結合は40GPa以上で対称化され、水素が隣り合う酸素の中間に存在することが明らかになった。この圧力誘起水素結合対称化転移により含水D相の圧縮挙動が明らかに影響を受けることも判明した。体積弾性率はこの構造変化により20%以上増加する。この圧力誘起水素結合対称化転移は非常にδ-AIOOHの圧縮挙動と類似する。転移圧は、水素の量子性や温度効果を考慮するとさらに下がることが予想され、実測で報告されている20GPa付近での圧縮挙動の不連続変化と非常に調和的である。

Research Products

• [Publications] S.Tsuneyuki, J.Tsuchiya: "Large structural transformation of tetrahedral molecules"The review of high pressure science and technology. Vol.13,No.3. 232-235 (2003)
• [Publications] J.Tsuchiya, T.Tsuchiya: "First principles study of hydrous minerals under high pressure"Newsletter of The molecular simulation society of Japan. Vol.21. 15-16 (2003)