地球内部における含水マグマの構造と挙動の総合的理解

全面了解地球内部含水岩浆的结构和行为

基本信息

批准号：
20J22919
负责人：
大橋智典
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、地下数百kmでの存在が地球物理学的観測から示唆されている、含水マグマの構造決定の実験と数値計算による解明を目指している。しかし、高圧下の含水マグマ中の水素位置やその構造上の役割を実験研究例はなく、未解明の問題が多い。そこで、本研究では常圧から約6-10万気圧における含水Na珪酸塩メルト（マグマの模擬組成）の構造を放射光X線回折実験(XRD)と中性子回折(ND)実験から調べた。より詳細な構造の情報を得るため、第一原理分子動力学(FPMD)計算も行った。結果、XRD・ND実験のデータから、H-O距離が圧縮により伸びると判明した。また、無水マグマのSi-Si距離が圧力増加に伴い収縮したのに対し、含水マグマでは殆ど一定であった。これは水によるSiO4四面体のなす網目構造の非重合化に起因する圧縮メカニズムの差異であると判明した。またFPMD計算の結果から、(1)圧縮下では、低圧条件でNaの占めるドメイン構造が優先的に圧縮し、ある程度圧力が高くなるとその圧縮メカニズムが飽和し、より圧力に対する構造の応答が鈍くなった。このような圧縮機構の変化は、無水・含水マグマの両方において熱力学的な量の圧力依存性にも反映されていた。(2)圧縮による反応は、SiO4四面体の重合反応と-OH基と近くのSiO4四面体が近づく反応によって、NaをSiO4四面体付近から遠ざけるものであった。(3)SiO4四面体のなす網目構造は水によって非重合化すると知られているが、その構造変化は網目構造の局所的な配向秩序の喪失としてより一般的に理解できた。本研究の成果は、マグマの圧力・含水量による構造変化のメカニズムを詳細に記述したばかりでなく、Mg珪酸塩など他の代表的な組成のマグマの構造物性との系統的な比較をも容易にした。この意味で、本研究はマグマの構造を統一的に理解する上での意義も大きいと期待される。

这项研究旨在通过实验和数值计算来阐明水合岩浆的结构确定，这表明其在数百公里的地下中的存在来自地球物理观测。但是，在高压下尚无关于氢位置及其在液压岩浆中的结构作用的实验研究，许多无法解释的问题尚不清楚。因此，在这项研究中，使用Synchrotron X射线衍射实验（XRD）和中子衍射（ND）实验研究了从大气压到约6-100,000 atm的压力下的含水Na硅酸盐熔体（岩浆的模拟组成）的结构。还进行了第一原理分子动力学（FPMD）计算，以获取更详细的结构信息。结果，XRD和ND实验的数据表明，H-O距离通过压缩扩展。此外，尽管无水岩浆的Si-Si距离随压力增加而收缩，但在含水岩浆中的Si-Si距离几乎是恒定的。发现这是由于水引起的Sio4四面体形成的网络结构的解聚，因此在压缩机理上有差异。此外，从fpmd计算的结果中，在（1）压缩下，在低压条件下，由Na占据的域结构优先压缩，当压力在一定程度上升高时，压缩机制就会饱和，导致对压力的反应更加稳固。压缩机制的这种变化也反映在无水岩浆和水合岩浆中热力学量的压力依赖性中。（2）压缩反应是通过SIO4四面体的聚合反应以及-OH基团和附近的Sio4四面体接近的反应，将Na从SIO4四面体的附近移开。（3）已知由Sio4四面体形成的网络结构被水解聚，但是网络结构的结构变化通常可以被理解为局部取向顺序的损失。这项研究的结果不仅详细描述了由于岩浆的压力和水含量引起的结构变化的机制，而且还促进了与岩浆等其他典型组成（例如MG硅酸盐）的系统比较。从这个意义上讲，这项研究有望在对岩浆结构的统一理解中具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量（13）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Structure of basaltic glass at pressures up to 18 GPa by in-situ X-ray and neutron diffraction experiments

通过原位 X 射线和中子衍射实验研究压力高达 18 GPa 的玄武岩玻璃的结构

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
18.T. Ohashi*;T. Sakamaki;K. Funakoshi;T. Hattori;N. Hisano;J. Abe;A. Suzuki
通讯作者：
A. Suzuki

Effects of alkali and alkaline-earth cations on the high-pressure sound velocities of aluminosilicate glasses

碱金属和碱土金属阳离子对铝硅酸盐玻璃高压声速的影响

DOI：
10.1007/s00269-020-01098-3
发表时间：
2020
期刊：
Physics and Chemistry of Minerals
影响因子：
1.4
作者：
Aoki Koji;Sakamaki Tatsuya;Ohashi Tomonori;Ikeda Osamu;Suzuki Akio
通讯作者：
Suzuki Akio

Structure of hydrous sodium silicate melts at high pressures and high temperatures by in-situ neutron and X-ray diffraction experiments

通过原位中子和 X 射线衍射实验研究高压高温下水合硅酸钠熔体的结构

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
T. Ohashi;T. Sakamaki;K.-I. Funakoshi;T. Hattori;A. Suzuki
通讯作者：
A. Suzuki

Elastic properties and structures of pyrope glass under high pressures

高压下镁铝榴石玻璃的弹性性能和结构

DOI：
10.2138/am-2020-7410
发表时间：
2021
期刊：
American Mineralogist
影响因子：
3.1
作者：
Hisano Naoki;Sakamaki Tatsuya;Ohashi Tomonori;Funakoshi Ken-ichi;Higo Yuji;Shibazaki Yuki;Suzuki Akio
通讯作者：
Suzuki Akio

バイロイト大学、バイエルン地球科学研究所(ドイツ)

拜罗伊特大学、巴伐利亚地球科学研究所（德国）