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地球物理观测表明存在于地下数百公里处的含水岩浆的结构。然而，目前还没有关于高压下含水岩浆中氢的位置或其结构作用的实验研究，许多问题仍未解决。因此，在本研究中，我们利用同步辐射 X 射线衍射 (XRD) 和中子衍射 (ND) 实验研究了大气压至约 60,000 至 100,000 个大气压下的水合硅酸钠熔体（模拟岩浆成分）的结构。还进行了第一原理分子动力学（FPMD）计算以获得更详细的结构信息。结果，来自 XRD 和 ND 实验的数据表明，H-O 距离由于压缩而增加。此外，无水岩浆中的Si-Si距离随着压力的增加而收缩，而在含水岩浆中则几乎保持恒定。发现这是由于SiO4四面体的网络结构不被水聚合而导致的压缩机制的差异。另外，从FPMD计算结果来看，（1）在压缩状态下，Na占据的域结构在低压条件下优先压缩，当压力增大到一定程度时，压缩机制变得饱和，响应结构对压力的影响变慢。压缩机制的这种变化也反映在无水和含水岩浆中热力学量的压力依赖性上。 (2)压缩反应是通过SiO4四面体的聚合反应以及-OH基团与附近SiO4四面体之间的反应，将Na从SiO4四面体附近移走。 (3)众所周知，SiO4四面体形成的网络结构会被水解聚，但这种结构变化可以更普遍地理解为网络结构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压力和含水量引起的结构变化的机制，而且有助于将岩浆的结构特性与其他代表性成分（例如硅酸镁）进行系统比较。从这个意义上说，这项研究有望对提供对岩浆结构的统一认识具有重要意义。

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）