2020 Fiscal Year Annual Research Report
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18H03740
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
井上 徹 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (00291500)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
肥後 祐司 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (10423435)
栗林 貴弘 東北大学, 理学研究科, 准教授 (20302086)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 地球深部水 / 高圧含水鉱物 / 上部マントル / マントル遷移層 / 下部マントル / 水の輸送 / 水の貯蔵庫 / マントルダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度も前年度同様、「下部マントルへの水の運搬とその貯蔵能力の解明」に関する研究を推進すべく、実験的研究を遂行した。特にAl3+とH+のカップリング置換現象が重要であると考えており、下記の研究を引き続き遂行した。
１）下部マントルの主要構成鉱物であるbridgmanite中へのAl固溶の影響の解明。２）マントル遷移層から下部マントルにかけて重要な各種高圧含水相中へのAl固溶の影響の解明。３）高圧含水鉱物におけるFeの影響の解明。４）高圧含水鉱物の熱弾性的性質及び弾性波速度の解明。
１）については、特に完全な無水条件下での実験を遂行すべく実験的工夫を行い、また直面した解析方法の工夫を行い、無水条件下での置換メカニズムの解明とそのAl固溶限界を明らかにした。２）の各種高圧含水相中へのAl固溶の影響の解明については予想通り、Siの配位数が鍵となっているという結果を導き出している。本研究結果は学会発表で報告した。３）のFeの影響に関しては、前年度のδ-AlOOH相への影響解明に加え、下部マントル条件下で安定な含水D相に適用し、その温度安定性の傾向を明らかにした。結果、Feのみでは温度安定性が低下するが、Alの存在下では温度安定性は上昇に転じることを明らかにした。沈み込むスラブの温度プロファイル、及び含水カンラン岩や含水玄武岩の組成を考慮すると、AlとFeに富んだ含水D相が有力な地球深部への水のキャリアとなりうることが考えられる。本研究成果については既に国際誌に投稿し受理されている。４）の熱弾性的性質及び弾性波速度の解明に関しては、含水A相及びAlに富んだ含水D相で明らかにし、既に国際誌に公表済みである。
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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
現在までに、下部マントルの主要鉱物であるbridgmanite中へのAl固溶メカニズムについて、今までにない精度での完全な無水での実験結果、及びそれと比較した含水での実験結果が出揃い、我々独自のデータで明瞭に比較検討できる状況となった。さらに、マントル遷移層から下部マントルにおいて重要な各種高圧含水相中へのAl固溶の影響の解明も進み、予想通りのSi配位数の重要性を導き出してきている。Alの影響により温度安定性が上昇し、沈み込むスラブの低温部のみならず、比較的高温部にも高圧含水鉱物がAlの固溶効果により存在可能となる。このことは下部マントルまで水が運搬可能であることを強く示唆する。この結果は我々の今回のプロジェクトの最終目標であるAlに富んだbridgmanite中への水の保持メカニズムを強くサポートするとともに、下部マントルは含水化が可能であり、下部マントル中の水の存在を示唆するインパクトのある結果となる。
Al3+とH+のカップリング置換におけるFe3+の固溶の影響も重要であり、昨年度のδ-AlOOH相に加え、含水D相でも明らかにした。また、Alに富んだbridgmaniteの弾性波速度の研究に加え、含水A相及びAlに富んだ含水D相で熱弾性的性質を明らかにした。この結果は今後のbridgmaniteへの研究に対して重要な情報を与える。
本基盤Aプロジェクトは2021年度に最終年度を迎えるが、当初の計画通り「下部マントルへの水の運搬とその貯蔵能力の解明」を議論できる重要な結果が出揃ってきた。本研究の成果のいくつかは既に査読付き国際誌に出版、投稿中であり、現在執筆中の論文もいくつかある。更に学会発表の方でも最新の成果を公表し続けており、研究は当初の予定通り順調に進んでいると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本基盤Aプロジェクトは2021年度に最終年度を迎えるため、今までの結果をまとめ、「下部マントルへの水の運搬とその貯蔵能力の解明」について総合的に議論する。
bridgmaniteは下部マントルの主要構成鉱物であるため、その研究成果の国際誌への投稿に尽力する。１）bridgmanite中へのAlの固溶メカニズム・最大含水量の解明、２）無水bridgmanite中へのAlの固溶メカニズムの解明、３）含水bridgmanite中の含水量の圧力依存性の解明、４）含水bridgmaniteの熱弾性的性質の解明、５）無水及び含水bridgmaniteの弾性波速度の解明、６）含水bridgmaniteの含水量へのFeの影響の解明、７）含水bridgmaniteの含水量の圧力依存性の解明、である。これらの実験結果については、本プロジェクトの期間内に導き出してきており、後は論理的に解釈し、議論する段階である。これらの総合的理解の段階で更に追試が必要な場合には、その実験を遂行していく。
加えて、各種高圧含水鉱物に対するAlの固溶について、Si配位数の重要性を導き出してきている。またFeの固溶についても重要であるがその影響についても明らかにしてきている。これらの結果を総合的に理解し、解釈していく。
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