2017 Fiscal Year Annual Research Report
Integrated analysis of crystallography and dynamics of hydrogen in deep mantle minerals by high-intensity neutron scattering and high-resolution transmission electron microscopy
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17H01172
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
奥地 拓生 岡山大学, 惑星物質研究所, 准教授 (40303599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
富岡 尚敬 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 高知コア研究所, 主任技術研究員 (30335418)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 中性子散乱 / 透過電子顕微鏡 / マントル含水鉱物 / 水素配置解析 / 水素拡散ダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球の水は海洋に加えて、地殻やマントルにも含水鉱物として多量に存在する。これらの含水鉱物には、一定量のOH基があって初めて安定な構造と、既存の陽イオンとH+が不定比で交換する構造がある。前者は浅い場所、後者は深い場所で安定な場合が多い。この二種の構造内の水素の微視的な配置と輸送を、原子スケールの空間分解能で観察することを通して、それぞれの内部での吸水反応、脱水反応、水素イオン輸送の素過程と速度を調べ、さらには予言したい。そのために中性子単結晶回折と中性子準弾性散乱を組み合わせた統合的な解析を進めている。
中性子単結晶回折は、非常に高い空間分解能で結晶構造中の水素の配置を解析することができる手法であり、われわれが世界で初めてマントル深部含水鉱物への応用に成功した。この実績をもとに、さらに解析が難しい鉱物種への展開を進めている。これまでの実績としては、含水ringwooditeの解析を完了させて、得られた結果を国際学術誌に報告した。また、dense hydrous magnesium silicate phase Eについて、高温条件における良質の回折データを世界で初めて取得することに成功した。
中性子準弾性散乱は、水素原子の結晶構造中のサイト間移動距離と跳躍頻度を定量的に計測することができる強力な手法である。これまでに最高550 Kまでの温度条件における高エネルギー分解能動的構造因子の計測に成功しており、マントル含水鉱物の水素が制限空間内部で拡散を開始する温度が明らかになりつつある（ブルーサイトが230K、dense hydrous magnesium silicate phase Eが430K, 含水wadelsyiteが550 Kでも拡散開始せず、等）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
中性子単結晶回折の計測においては、dense hydrous magnesium silicate phase Eの470Kまでの条件での回折データの取得を、J-PARCにおいて成功させることができた。また中性子準弾性散乱の計測においては、最重要の研究目標の一つである含水wadsleyiteの試料合成を行ったうえで、550 Kまでの温度における解析可能な動的構造因子データ取得に成功した。以上の実績から示されるように、高温での計測が順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
必要な技術的改良を行いつつ、単結晶回折と準弾性散乱の双方の計測において、温度条件をさらに上げてゆきたい。単結晶回折については、目的の達成に不可欠な、大型の含水bridgmanite結晶の合成を進める。また準弾性散乱については、これまでに行った高温高圧合成条件の最適化の結果を踏まえて、含水ringwoodite粉末の大量合成を加速させ、速やかにその計測を開始する。以上の作業と併せて、合成した試料の一部についての高分解能透過電子顕微鏡観察を速やかに開始して、実験技術上の課題を整理する。
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