含水高圧相鉱物の弾性波速度に基づくスラブ低速度層の物質科学的研究

基于含水高压相矿物弹性波速的板片低速层材料科学研究

• 批准号: 13874052
• 负责人: 米田 明
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Okayama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-13874052/
• 关键词: マントル対流; スラブ; 含水鉱物; 反射率測定; 金; 粘弾性; 圧力スケール; 状態方程式; 音速分散; ローソナイト; 含水高圧相鉱物; 液圧セル

沈み込むスラブ内部においては比較的地球深部に到るまで、含水鉱物が主要な構成要素であることが近年高温高圧下における相平衡実験から明らかになった。そして、それらは地震波によって観測される低速度層の成因との関連が示唆される。しかしながら含水鉱物の弾性に関する報告は数少なく、特に弾性率の温度依存性はあまり理解されていない。本研究においてスラブ内部で安定と考えられる含水鉱物の一つであるphase Aについてその単結晶の合成を試みた。数ミリメートル程度の比較的大きな結晶が合成できれば、共振法によって弾性率およびその温度依存性の精密な測定が可能である。マルチアンビル型高圧発生装置を用い、約10GPa,1000℃の高温高圧条件下で合成実験を行っている。本研究を遂行する過程において、共振法のシグナル伝達を向上させるためのカップラーの物性測定を行った。本研究の副産物であるが、重要な成果であり、その内容は学術振興会の研究会で報告した他、特許出願も行った。参考のために以下にその概要をしめす。粘弾性液体(蜂蜜(商品名:SWC)、グリセリン、シリコンオイル)の横波速度と吸収係数を約20MHzの周波数で複素反射率法により測定した。一般的にはこれらの物質は液体であり従って剛性はない(横波音速ゼロ)とされてきた。しかしながら、今回の測定により15-25MHzにおいて明瞭な横波音速分散と吸収を確認した。複素反射率測定では音波パルスはサンプル中を伝播する必要がないので、吸収の大きな試料の音速測定に適している。地球科学分野での応用としてはマグマの粘弾性測定があるが、他分野でも広く応用可能である。

最近，高温高压下的相平衡实验表明，水合矿物是俯冲板片的主要成分，甚至在地球相对较深的部分也是如此。推测这些与地震波观测到的低速层的起源有关。然而，关于水合矿物弹性的报道很少，尤其是弹性模量的温度依赖性尚不清楚。在这项研究中，我们尝试合成 A 相单晶，它是被认为在板坯内部稳定的含水矿物之一。如果可以合成几毫米的相对较大的晶体，则可以使用共振法精确测量弹性模量及其温度依赖性。采用多砧式高压发生器，在约10GPa、1000℃的高温高压条件下进行合成实验。在进行这项研究的过程中，我们测量了耦合器的物理特性，以使用共振方法改善信号传输。虽然这是这项研究的副产品，但却是一项重要的成果，该成果已在日本学术振兴会的一个研究小组上进行了报告，并且还提交了专利申请。现总结如下，供参考。使用复合反射法在约20MHz的频率下测量粘弹性液体（蜂蜜（产品名：SWC）、甘油、硅油）的剪切波速和吸收系数。通常假设这些材料是液体，因此没有刚性（横波声速为零）。然而，该测量证实了 15-25MHz 处清晰的横波声音分散和吸收。复合反射率测量不需要声脉冲穿过样品传播，因此适合测量吸收量大的样品的声速。它在地球科学领域的应用是测量岩浆的粘弹性，但它也可以广泛应用于其他领域。

项目成果

T.Sumita: "A new thermal-analysis technique for detecting silicate melting under high pressure : Application to pyrope melting up to 9 GPa"High Temp.-High Press. (in press). (2002)

T.Sumita：“一种用于检测高压下硅酸盐熔化的新热分析技术：应用于高达 9 GPa 的镁铝榴石熔化”高温-高压。

M.Osako: "Simultaneous measurements of thermal conductivity and thermal diffusivity for garnet and olivine under high pressure"Phys.Earth Planet.Int.. (in press). (2004)

M.Osako：“高压下石榴石和橄榄石的导热率和热扩散率的同步测量”Phys.Earth Planet.Int..（正在出版）。

Y.Aizawa: "Temperature derivatives of elastic moduli of MgSiO3 perovskite"Geophys.Res.Lett.. 31. L01602 (2004)

Y.Aizawa：“MgSiO3 钙钛矿弹性模量的温度导数”Geophys.Res.Lett.. 31. L01602 (2004)

T.Katsura: "Temperature derivatives of elastic moduli of (MgO.91FeO.09)2SiO4 modified spinel"Physics of Earth and Planetary Interiors. 124. 163-166 (2001)

T.Katsura：“(MgO.91FeO.09)2SiO4 改性尖晶石弹性模量的温度导数”地球和行星内部物理学。

H.Furuichi: "Amorphous copper formation and related phenomena at ultrahigh pressure"J.Non-Crystal.Solid. 279. 215-218 (2001)

H.Furuichi：“超高压下非晶铜的形成和相关现象”J.Non-Crystal.Solid。