Structure measurement of hydrous magma using neutron diffraction: Understanding of pressure dependences of hydrogen position

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K18797
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 坂巻 竜也 東北大学, 理学研究科, 助教 (30630769)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2020-03-31
• Keywords: マグマ / 水 / 水素 / 中性子回折 / X線回折 / 高圧 / ガラス

Outline of Annual Research Achievements

地球内部でのマグマの挙動を解明するために、マグマの構造の圧力変化を理解することは重要な研究アプローチの1つである。そこで本研究では量子ビームを使った回折実験からマグマの構造決定を試みている。本研究の成功のためには含水マグマを長時間保持できるカプセルを使用する必要があるが、様々な材料のテストを通じて、最適なカプセル材を選定することができた。そして、そのカプセルを用い、大強度陽子加速器施設J-PARCの超高圧中性子回折装置PLANETを利用した中性子回折実験と高エネルギー加速器研究機構KEK内のPF-ARのNE5CでのX線回折実験を実施して、含水珪酸塩ガラス・メルトの構造を高圧下で測定することに成功した。
含水ナトリウム珪酸塩メルト：NE5Cにおいて3GPaまでの圧力条件下でX線回折実験に成功し、構造データを取得した。含水量に応じて、四面体構造の変化を確認することができた。また、PLANETでは高温高圧下で中性子回折実験を実施し、シグナルの取得に成功した。
含水ナトリウム珪酸塩ガラス：PLANETにおいて圧力2GPaの条件下で異なる含水量のガラスの中性子回折実験を実施した。短距離・中距離構造の含水量依存性を明らかにするとともに、水素-酸素結合に由来するピークを確認した。水素がネットワーク構造へ及ぼす影響や水素位置の圧力依存性などに関する重要なデータを取得できた。
上述した実験に加えて、計算機シミュレーションによる含水マグマの構造モデリングも進めており、包括的な理解ができるようになった。これらの研究成果は様々な国際・国内会議で発表しており、国際誌への投稿準備中である。

Research Products

• [Journal Article] Hydrous magnesium-rich magma genesis at the top of the lower mantle (2019)
  • Author(s): Nakajima, A., Sakamaki, T., Kawazoe, T., Suzuki, A.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5.527777778 Pages: -
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-43949-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sound velocity measurements of ε-FeOOH up to 24 GPa (2019)
  • Author(s): Ikeda, O., Sakamaki, T., Ohashi, T., Goto, M., Suzuki, A.
  • Journal Title: Journal of Mineralogical and Petrological Sciences Volume: 114 Pages: 155-160
  • DOI: https://doi.org/10.2465/jmps.181115b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pressure and composition effects on sound velocity and density of core-forming liquids: Implication to core compositions of terrestrial planets (2019)
  • Author(s): Terasaki, H., Rivoldini, A., Shimoyama, Y., Nishida, K., Urakawa, S., Maki, M., Kurokawa, F., Takubo, Y., Shibazaki, Y., Sakamaki, T., Machida, A., Higo, Y., Uesugi, K., Takeuchi, A., Watanuki, T., Kondo, T.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Planets Volume: 124 Pages: 2272-2293
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019JE005936
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase and melting relations of Fe3C to 300 GPa and carbon in the core (2019)
  • Author(s): Takahashi, S., Ohtani, E., Sakai, T., Kamada, S., Ozawa, S., Sakamaki, T., Miyahara, M., Ito, Y., Hirao, N., Ohishi, Y.
  • Journal Title: Carbon in Earth’s Interior, Geophysical Monograph Volume: 249 Pages: 25-36
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Formation of highly pure anorthite crust on the low-volatile astral bodies by low-viscous magma ocean (2019)
  • Author(s): Sakamaki, T., Kono, Y.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of water and redox state on melting at the top of the lower mantle (2019)
  • Author(s): Nakajima, A., Sakamaki, T., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure structural investigations for hydrous sodium silicate melts (2019)
  • Author(s): Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Muranushi, M., Shito, C., Shibazaki, Y., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elastic property and stracture of pyrope glass at high pressure (2019)
  • Author(s): Hisano, N., Sakamaki, T., Ohashi, T., Funakoshi, K., Higo, Y., Shibazaki, Y., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ Raman spectroscopy of ε-FeOOH under high pressures (2019)
  • Author(s): Ikeda, O., Sakamaki, T., Suzuki, A.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Raman spectroscopic measurements of ε-FeOOH at high pressures (2019)
  • Author(s): Ikeda, O., Sakamaki, T., Suzuki, A.
  • Organizer: JSPS Japan-German graduate externship International Workshop on “Volatile Cycles”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effect of redox state on the hydrous melt in the deep mantle (2019)
  • Author(s): Nakajima, A., Sakamaki, T., Suzuki, A.
  • Organizer: JSPS Japan-German graduate externship International Workshop on “Volatile Cycles”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure structures of hydrous sodium silicate melts (2019)
  • Author(s): Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Muranushi, M., Shito, C., Shibazaki, Y., Suzuki, A.
  • Organizer: JSPS Japan-German graduate externship International Workshop on “Volatile Cycles”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure behavior of ε-FeOOH inferred from experimental study (2019)
  • Author(s): Ikeda, O., Sakamaki, T., Suzuki, A.
  • Organizer: 57th EHPRG Meeting on High Pressure Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural study of hydrous sodium silicate melts under high pressure (2019)
  • Author(s): Ohashi, T., Funakoshi, K., Sakamaki, T.
  • Organizer: 57th EHPRG Meeting on High Pressure Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structures of dry and hydrous silicate glasses and melts under pressure (2019)
  • Author(s): Ohashi, T., Sakamaki, T., Funakoshi, K., Hattori, T., Muranushi, M., Shito, C., Shibazaki, Y., Sano-Furukawa, A., Suzuki, A.
  • Organizer: The 10th workshop for extreme materials science “Silicate Melts and Glass”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高圧力下における含水非晶質ナトリウム珪酸塩の構造 (2019)
  • Author(s): 大橋智典、坂巻竜也、舟越賢一、服部高典、佐野亜沙美、村主樹、市東力、池田理、伊東義章、柴崎裕樹、鈴木昭夫
  • Organizer: 日本鉱物科学会2019年会
• [Presentation] 高温高圧条件下におけるFe-Ni合金の音速-密度関係 (2019)
  • Author(s): 坂巻竜也、大谷栄治、福井宏之、鎌田誠司、Baron Alfred
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] Vibrational properties of ε-FeOOH under high pressures (2019)
  • Author(s): 池田理、坂巻竜也、福井宏之、内山裕士、Baron Alfred、鈴木昭夫
  • Organizer: 第60回高圧討論会