その場観察実験と計算機モデリングによる含水ケイ酸塩メルトの構造と圧力効果の解明

利用原位观测实验和计算机建模阐明水合硅酸盐熔体的结构和压力效应

基本信息

批准号：
21K03707
负责人：
舟越賢一
金额：
$ 2.75万
依托单位：
一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び中性子科学センター(研究開発
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

水はマグマに含まれる主要な成分であり、マグマの密度や粘性などの物性は含水量や圧力条件に強く依存することが知られている。これらの物性は、マグマすなわち含水珪酸塩メルトの化学組成や地球内部の深さ（圧力）によって大きく変化し、メルトの構造変化と強く関係していると考えられている。本研究では、シンプルな化学組成の含水ケイ酸塩メルトであるNa2O-SiO2-H2O系メルトについてのX線および中性子を使った高圧実験と、計算機を使ったモデル解析を行うことによってメルト構造の詳細を明らかにし、マグマの物性変化における含水量と圧力の影響を解明することが目的である。2022年度では、9-12wt%の水を含んだNa2O-8/3SiO2-H2Oメルトについての7 GPaまでの高圧下におけるX線および中性子実験を行った。実験で得られた含水Na2O-8/3SiO2メルトについてのX線構造因子および中性子構造因子に対して、第一原理分子動力学計算を使ったモデル解析を行った結果、メルト構造の基本単位を形成するSiO4四面体におけるSi-O結合距離が加圧とともにわずかに伸びていることが分かった。一方、水を含まないドライのNa2O-8/3SiO2メルトにおけるSi-O結合距離は高圧下でも一定であった。このことから、含水Na2O-8/3SiO2メルトとドライのNa2O-8/3SiO2メルトでは圧力に対して異なるメカニズムで圧縮されていることが示唆される。また、含水Na2O-8/3SiO2メルト中のOH基の数は圧力とともに減少することが分かった。これらの結果から、含水Na2O-8/3SiO2メルトではOH基の再結合によるネットワークの重合化が起こっていることが示唆される。

水是岩浆中所含的主要成分，众所周知，岩浆的物理性质（例如其密度和粘度）很大程度上取决于其含水量和压力条件。这些物理性质根据岩浆或水合硅酸盐熔体的化学成分以及地球内部的深度（压力）而变化很大，并且被认为与熔体结构的变化密切相关。在这项研究中，我们将利用X射线和中子对Na2O-SiO2-H2O熔体（一种化学成分简单的水合硅酸盐熔体）进行高压实验，并使用计算机进行模型分析，以了解熔体的细节目的是阐明含水量和压力对岩浆物理性质变化的影响。 2022财年，我们在高达7 GPa的高压下对含水9-12wt%的Na2O-8/3SiO2-H2O熔体进行了X射线和中子实验。通过第一性原理分子动力学计算对实验得到的含水Na2O-8/3SiO2熔体的X射线结构因子和中子结构因子进行模型分析，发现熔体结构的基本单元形成发现SiO4四面体中的Si-O键距随着压力的增加而略有增加。另一方面，即使在高压下，干燥的 Na2O-8/3SiO2 熔体中的 Si-O 键距也保持恒定。这表明含水的Na2O-8/3SiO2熔体和干燥的Na2O-8/3SiO2熔体响应压力通过不同的机制被压缩。还发现含水Na2O-8/3SiO2熔体中的OH基团数量随着压力的增加而减少。这些结果表明，网络聚合是由于水合 Na2O-8/3SiO2 熔体中 OH 基团的重组而发生的。