【研究領域課題番号】19H01994 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル / 水 / 中心核 / 含水鉱物 / 地球・惑星内部構造

【研究成果の概要】

本課題では、地球・惑星内部の水の挙動の理解を目的とした実験を行った。超高温高圧下で進行する水と金属鉄の化学反応を詳細に調べ、金属鉄の表面に「さび(酸化鉄)」が生成されることを明らかにした。このことは、地球内部を循環する水が、金属鉄から成る地球中心核の表面に酸化鉄つくることを示唆する。また、様々な化学組成の含水鉱物を実験試料として用い、含水鉱物の超高温高圧下でのふるまいを調べた。その結果，地球深部の含水鉱物は周囲の環境に応じてその化学組成を大きく変えることや，水素と酸素とアルミニウムからなる水酸化アルミニウム (AlOOH) は190万気圧で結晶構造が変化（相転移）することがわかった。

【研究の社会的意義】

地球内部を循環する水が、金属鉄から成る地球中心核の表面に酸化鉄つくることが示唆された。地球内部の対流運動や中心核―マントル境界の性質、地震波異常の起源などを知るうえで重要な知見となると期待される。また、これまで実験的に検証されることのなかった地球マントル圧力を超える超高圧に耐える含水鉱物が存在することが分かった。地球より大きな惑星の内部はこのような超高圧環境が想定されるため、地球以外の惑星内部の水の挙動に関する新たな知見となった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究分野】地球宇宙化学

【研究領域課題番号】15KK0150 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

希ガス / ハロゲン / 水 / マントル / 沈み込み / 質量分析 / 物質循環 / 流体包有物 / メルト包有物 / 同位体

【研究成果の概要】

本研究は、地球表層を構成する海洋プレートがマントルへと沈み込んでいく際に、プレート中のどのような物質がマントルへと水やハロゲン・希ガスといった揮発性の高い物質を持ち込んでいるかを明らかにするために、火山活動によって地表にもたらされたマントル物質であるかんらん岩や、上昇するマグマ中で早期に晶出して深部のマグマの情報を残しているかんらん石の斑晶について、中性子照射と超高感度希ガス質量分析計を用いた希ガス・ハロゲン分析を行った。その結果沈み込み帯直下のマントルには、大気（海水）由来の希ガスや、深海底堆積物中の間隙水や海洋地殻に由来するハロゲンが注入されていることが明らかになった。

【研究の社会的意義】

日本に代表される沈み込み帯における活発な火山活動の源であるマグマは、直下のマントルに沈み込んだ海洋プレートから放出される、水をはじめとした揮発性成分がマントルの融点を下げたために生じることは分かっていたが、具体的にプレート中の何が水を運んでいるかは、天然試料の分析からは明らかになっていなかった。本研究は希ガスとハロゲンを手がかりに、沈み込むプレート中に形成した蛇紋石や、深海底堆積物と海洋地殻中の含水鉱物が水の運び手であることを明らかにし、また火山活動に伴い希ガスが水とともに地表へと戻っている一方で、ハロゲンの一部は水を失ったプレートとともに、より深部のマントルに沈み込んでいる可能性を示した。

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)

【研究期間】2016 - 2019

【配分額】13,650千円 (直接経費: 10,500千円、間接経費: 3,150千円)

【研究分野】地球宇宙化学

【研究領域課題番号】26287139 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハロゲン / 希ガス / 水 / 沈み込み / マントル / スラブ流体 / 質量分析 / 中性子照射

【研究成果の概要】

原子炉を用いた中性子照射による同位体変換と、超高感度希ガス質量分析を組み合わせて、沈み込み帯のマントルかんらん岩、大陸下マントルかんらん岩、過去に沈み込んだスラブ物質、そしてダイヤモンドについて、希ガスとハロゲン及びその他の元素（Ca、K、Ba、U）の多元素同時分析を行った。その結果をもとに、沈み込む直前のプレートの屈曲に伴う、堆積物中間隙水のマントル最上部への侵入と蛇紋石形成が重要な役割を果たしているとする、新たな水の沈み込みモデルを提案した。またプレートの沈み込みの影響が現在は及んでいない大陸下マントルにも、かつて沈み込んだハロゲンや希ガスの影響が残されていることを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】26247091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル / 組成 / 同位体 / 半球構造 / 統計解析 / 独立成分分析 / 水 / 物質循環 / 南太平洋 / カムチャッカ / 不均質構造 / 対流 / カメルーン

【研究成果の概要】

全地球に分布する主に第四紀に噴火した玄武岩の組成に基づき、地球内部の不均質構造を調べた。これは人体の血液検査に例えることができる。特に、最近提案された「マントルの東西半球構造」に注目し、（１）半球構造の境界付近の詳細研究、（２）地球全体のデータに関する独立成分分析、（３）水を含むマントル対流シミュレーションを行った。その結果、東半球はより親水成分に富み、かつマントル浅部から内核にいたるまで、超大陸の分布に支配される「Top-down hemispherical dynamics」を介して長波長の大構造を有することが示唆された。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】42,510千円 (直接経費: 32,700千円、間接経費: 9,810千円)

【研究分野】地球宇宙化学

【研究領域課題番号】23340169 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハロゲン / 希ガス / 沈み込み / スラブ流体 / 質量分析 / 中性子照射 / マントル / 水 / 顕微分光分析 / レーザーICP質量分析 / 顕微ラマン分光

【研究成果の概要】

中性子照射による核変換と超高感度希ガス質量分析技術を応用した、極微量ハロゲンと希ガスの多元素同時分析手法を開発し、沈み込み帯のマントルかんらん岩、過去に沈み込んだスラブ物質、そして変質した海洋地殻と堆積物を分析した。沈み込み帯のマントルかんらん岩捕獲岩には、四国・三波川帯のマントルかんらん岩や蛇紋岩と同様にヨウ素に富む、堆積物中の間隙水とよく似たハロゲンと希ガスが含まれていた。三波川帯のエクロジャイトや変泥質岩にはこれらに加え、変質した海洋地殻に特徴的な、塩素に富むハロゲン成分も含まれていた。これらは沈み込んだハロゲンと希ガスの影響が、マントルウェッジの広範に及んでいることを示している。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】19740270 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フルイド / マグマ / 超臨界流体 / 高温高圧 / 沈み込み帯 / ラマン分光 / ダイヤモンドアンビル / 火山現象 / 第2臨界端点 / コランダム / ルビー / サファイア / マントル / 水

【研究成果の概要】

沈み込み帯におけるマグマの生成や物質循環を明らかにするため、外熱式ダイヤモンドアンビル高温高圧発生装置内部の試料を顕微鏡下で直接観察することにより沈み込み帯のフルイドの相関係の決定し、また、顕微レーザーラマン分光装置を併用して高温高圧下のマグマやフルイドの構造に関する分光学的研究を行った。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】3,570千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 270千円)

【研究分野】地球化学

【研究領域課題番号】12640476 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素結合 / 高圧 / 中性子回折 / 振動分光 / 重炭酸 / マントル / ラマンスペクトル / 赤外スペクトル / 相転移 / 流体 / 水 / ダイヤモンド / 地球内部 / 分光学

【研究成果の概要】

地球内部物質、特に上部マントルを構成する物質には水が構造中に取りこまれる。水素の取りこみによって、地球内部の溶融関係、岩石の変形挙動などに大きな変化が起こりうることが知られている。
本研究では含水ケイ酸塩鉱物をはじめとするさまざまな含水素物質の高圧での物性変化を分光学的手法や中性子回折のその場観察で明らかにすることができた。特に研究の後期においてカリウム重炭素塩の高圧下での相転稼を見いだすことができた。詳細は冊子体を参照されたい

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】08740412 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マントル / 水 / 二酸化炭素 / 玄武岩 / 部分融解 / 高圧実験 / マグマ

【研究成果の概要】

地球のマントルを代表していると考えられるマントルカンラン岩(レールゾライト)について,含水および含二酸化炭素の融解実験をピストンシリンダー型高温高圧発生装置を用いて,1および3ギガパスカルの圧力下でそれぞれ行った.含水融解実験に関しては,我々によってすでに行われていた実験を低温領域に拡大し,できた融解液(マグマ)の化学組成および融解量(マグマ生成量)を求めた.その結果,カンラン岩の無水ソリダス温度以上では融解液は玄武岩質であるのに対し,それ以下の温度では温度の低下とともに融解液のシリカの量が急激に増大し安山岩質になること,また少量の水の存在がマグマの生成量を飛躍的に増加させることがわかった.例えば0.2%の水は1300度においてマグマの生成量を倍増させる.また沈み込み帯に特徴的な高マグネシア安山岩は,もしマントルの化学組成が特にマグマ成分に枯渇しているのではないならば,それらは島弧型ソレアイト玄武岩に比べて低温のマントルの生成物であることがわかった.含二酸化炭素の融解実験に関しては,その融解液の組成を広い温度範囲にわたって求めた.すでにいくつかの実験で示唆されていたように,融解温度の増加にともないマグマはカーボナタイト質からアルカリ玄武岩質に変わっていくことが,マントルカンラン岩の直接の融解実験で今回はじめて確かめられた.また融解温度を増加させていくと,得られるアルカリ玄武岩質マグマの組成はシリカに富み,カルシウムに乏しくなるなどの特徴が見られたが,この事実によって天然のアルカリ岩の組成変化をうまく説明することができる.すなわち天然のアルカリ岩は二酸化炭素の存在下で生成され,その組成バリエーションは150度程度のマントルの温度差を反映していることが示唆された.

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1996

【配分額】1,000千円 (直接経費: 1,000千円)