【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】16K13874 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高温高圧 / 弾性波速度 / 地震波速度 / P波速度 / マグマ / メルト / 超臨界流体 / 炭酸塩 / フルイド / 炭酸塩メルト / リソスフェア / ダイヤモンドアンビル / 水 / 流体 / 超音波

【研究成果の概要】

地球内部におけるマグマや水の分布を理解するため，高温高圧下で流体100%サンプルの弾性波速度を測定する手法の開発を行った．実験には，外熱式ダイヤモンドアンビルセル装置，川井型マルチアンビル装置，パリ・エジンバラ型装置を用いた．弾性波の測定は，圧電素子を使用する超音波法により行った．それぞれ３タイプの装置の特長を活かした測定環境が整いつつある．なかでもパリ・エジンバラ型高温高圧発生装置を用いた実験においては，炭酸塩マグマの弾性波速度を高温高圧下で決定することに成功した．この成果は，大陸下や海洋下のマントルに存在する可能性が指摘されている地震波低速度層の成因を理解する上で重要な基礎的データとなる．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】地質学

【研究領域課題番号】25610149 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アパタイト / 水 / マグマ / 太古代 / 原始

【研究成果の概要】

水は，表層環境と生命の進化、マントルダイナミクス・マグマ活動に重大な役割を果たしている．本研究では，原始地球において水がマグマ活動に果たした役割を理解することを長期的な目的とし、副成分鉱物アパタイトを用いたメルトの含水率定量法の有用性の評価を行った．具体的には、北海道納沙布岬の貫入岩体の試料を用いて、マグマの分化に伴う水などの揮発性成分の挙動が、アパタイトにどのように記録されているかを調べ、アパタイト中の希土類元素、水素、塩素、フッ素の濃度変化とメルト中の揮発性元素の濃度変化の関係を明らかにした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】24340134 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

沈み込み帯 / 水流体 / マグマ / 海水 / 塩水 / 二酸化炭素 / 元素分配 / 高温高圧実験 / スラブ / マントルウェッジ / 流体包有物 / 放射光蛍光X線 / 塩濃度 / 水 / 分配係数 / 火山 / 温泉 / 蛇紋石 / マントル捕獲岩 / マントル交代作用 / 超臨界流体 / 堆積岩

【研究成果の概要】

1) 東北日本弧一ノ目潟火山のレルゾライト捕獲岩には、炭酸塩鉱物と塩水からなる流体包有物が存在し、塩水は3.7±0.8%の塩濃度を持つ。2) マグマと水流体の間の微量成分元素分配のその場観察実験を行った。火山弧の下で海洋プレートからマントルウェッジに加わる超臨界流体は塩素を含み、上昇過程で塩水とメルトに分離することで島弧玄武岩の化学的特徴を説明する仮説を提案した。3) マントルウェッジに塩水をどう運ぶかに制約条件を与えるために、スラブを構成する高圧変成岩中の流体包有物を研究対象とした。特に、蛇紋岩メランジュに含まれるヒスイ輝石岩に注目し、複数の変成帯の岩石中に塩水を含む流体包有物を発見した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】21684026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高温高圧 / レーザー分光 / 超臨界流体 / マグマ / フルイド / ダイヤモンドアンビルセル / 水 / 玄武岩 / プラズマ / ダイヤモンドアンビル / 沈み込み帯

【研究成果の概要】

地球内部での物質循環やマグマの生成を理解するため,高温高圧下でマグマやフルイドの化学組成を直接決定するための新しい方法の開発を試みた.化学組成の決定には,レーザー誘起ブレークダウン分光装置を用いた.分析装置の改良を繰り返し,ガラス容器内の水溶液中の元素からのプラズマ信号を得ることに成功した.引き続き,ダイヤモンドアンビルセル内の高温高圧状態のサンプルからの信号を得るための研究が進行中である.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】30,290千円 (直接経費: 23,300千円、間接経費: 6,990千円)

【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】固体地球惑星物理学

【研究領域課題番号】16740250 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

放射光 / 高温高圧 / マグマ / 水 / フルイド / 第2臨界点 / 粘性 / ダイヤモンド

【研究成果の概要】

西播磨の大型放射光施設Spring-8において、川井型2段式マルチアンビル高圧発生装置と放射光を用いたラジオグラフィ法により高温高圧下で共存する含水マグマとフルイドを直接観察し、それらの相の安定領域を決定する新しいサンプルカプセルを開発した。本研究は含水系における実験であるため、サンプルカプセルは水との反応性が低く、水を封入し、しかもX線の透過性が良いものである必要がある。それを満たすものとして、本研究では単結晶ダイヤモンドと貴金属チューブを組み合わせた新型カプセルを開発した。貴金属性のチューブ内に置かれたサンプルは、前後に置かれた「観察窓」の機能を兼ねている2つの単結晶ダイヤモンドの蓋を通し、X線ラジオグラフィにより直接観察される。比較的低圧力で含水マグマとフルイドの2相が共存する条件下では、どちらかの相がもう片方の相の中に球形に存在するのが観察される。一方、高圧になると含水マグマとフルイドの共存領域は狭くなり、ある圧力(第2臨界点)以上では両相完全に混和するため、X線透過像において球形の相は観察されない。この様にして、本研究ではペリドタイト-H_2O系及び、玄武岩-H_2O系等における第2臨界点を決定した。
また、同様の新型サンプルカプセルを用いて、含水マグマの粘性測定も行った。サンプルカプセル上部にあらかじめ試料と共にセットしておいた貴金属球の含水マグマ中での落下速度をX線ラジオグラフィにより直接観察し、ストークスの法則からマグマの粘性を見積もるといった手法である。現在までに実験は全て終了し、得られたデータを解析中である。
本研究の第2臨界点に関する成果はGeochimica et Cosmochimica Acta誌に掲載され、その掲載号の表紙を飾った。また、アメリカ地球物理学会Fall meetingにおいては、招待講演として口頭発表を行った。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】11440159 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

沈み込み帯 / 火成作用 / 変成作用 / 数値モデル / 溶解 / 変成帯 / 地震波構造 / 変形 / 水 / マグマ / コンピュータシミュレーション / 溶融 / 地震波速度構造 / 高圧変成帯

【研究成果の概要】

沈み込み帯の火成作用については、数値モデルから予想される沈み込み帯の温度構造・流帯分布をこれまでの実験的研究を通して地震波速度構造に読みかえる試みがなされ、実際の速度構造との対比がなされた。その結果、日本列島(特に東北日本、中部日本、九州北部)における地震波速度構造とその特徴がモデルにより説明され、沈み込みむプレートから放出される流体の量や位置が、主に沈み込むプレートの年齢(言い替えるなら沈み込む直前の熱構造)に依存していることが分かった。東北日本では従来考えられているよりもH20が深く、150-200kmまで沈み込み、その後上昇してマグマを精製しているらしいことが明らかになってきた。東北日本が地球上で最も冷たいプレートの沈み込む場所であることを考えると、ほとんどの沈み込み帯では、沈み込んだH20、深さ200:km以浅で再び地表に還元され、火成活動を引き起こしていると考えられる。
沈み込み帯の変成作用については、変成岩及び変成帯の鉱物化学組成と流動組織に記録されている岩石塊の温度-圧力-変形-時間経路を再現する数値モデルの開発が行なわれた。変成作用の温度・圧力条.件については、火成作用のモデルの延長として、海嶺の沈み込みにより、高圧型と高温型の変成帯がほぼ同じ場で短時間(数から数十万年)で形成され得ることをはじめて見出だした。また、様々な流れ・変形モデルをたて、放散虫化石に記録されている有限歪みをモデルと照合した結果、日本列島は、斜め沈み込みに伴う前弧付加ウェッジ内でおこる3次元コーナーながれに伴っで流動/変形/上昇が起こることが明らかにされた。沈み込み帯の熱モデリングと合わせた結果は、そのような流動は、海嶺が沈み込む時に、一時的に熱とH20が前弧領域に供給されて岩石の粘性が低下するときに起こると考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】14,900千円 (直接経費: 14,900千円)

【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)