含水鉱物の音速測定から探る、マントル最下部への水輸送と大規模地震波低速度域の関係

通过水合矿物的声速测量探索水向地幔最低部分的输送与大尺度地震波低速区之间的关系

• 批准号: 22KJ0257
• 负责人: 池田 理
• 金额: $ 1.09万
• 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: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0257/
• 关键词: 含水鉱物; 鉄スピン転移; 磁気相転移; 高圧力; 弾性波速度; X線非弾性散乱; メスバウアー分光

鉄水酸化物ε-FeOOHはOH基の形態で水を含む含水鉱物であり、地球内部の核マントル境界への水輸送を担う鉱物の一つと考えられている。輸送された水は核の鉄と化学反応を起こすと考えられており、その結果FeOOHなどの含水鉱物が生成される可能性がある。地球内部の高圧力条件における鉱物の物性（ふるまい）の情報は地球のダイナミクスの理解に不可欠であり、本研究ではε-FeOOHの物性の解明を目指している。ε-FeOOHは45万気圧で鉄イオンの電子配置が切り替わるスピン転移が起きることが知られており、物性への影響が予想される。本年度は、この鉄スピン転移のメカニズムや伴われる物性変化を解明するために、ダイヤモンドアンビルセルで高圧力を印加したε-FeOOH試料の音響フォノンによるX線非弾性散乱と、鉄イオンによるメスバウアー吸収の分光測定に取り組んだ。非弾性散乱から求めた弾性波速度はスピン転移前後で低下がみられ、メスバウアースペクトルは同じ圧力範囲でスピンの入れ替わりを示した。この結果は弾性の変化と転移の関係を明確に示す成果であり、国内学会で発表を行った。また、メスバウアースペクトルはスピン転移より低い8万気圧において、四極子シフトの変化を示した。これは磁気モーメントの方向が入れ替わるスピンフロップ転移に相当する。この圧力領域の先行研究は多数存在するにも関わらずスピンフロップの報告はなされていなかったため、この転移の発見は世界初であり、国際誌に投稿し掲載された。

氢氧化铁ε-FeOOH是一种含水矿物，含有OH基团形式的水，被认为是负责将水输送到地球内的核幔边界的矿物之一。人们认为输送的水会与核心中的铁发生化学反应，可能导致形成水合矿物质，例如 FeOOH。有关地球内部高压条件下矿物的物理性质（行为）的信息对于了解地球动力学至关重要，本研究旨在阐明 ε-FeOOH 的物理性质。众所周知，ε-FeOOH 在 450,000 个大气压下会经历自旋跃迁，铁离子的电子构型会发生变化，预计这会对物理性质产生影响。今年，为了阐明这种铁自旋跃迁的机制以及随之而来的物理性质变化，我们将研究在高压下的 ε-FeOOH 样品中声子的非弹性 X 射线散射和铁离子的穆斯堡尔吸收。我们研究了金刚石砧室的光谱测量。由非弹性散射确定的弹性波速在自旋跃迁前后减小，穆斯堡尔谱在相同压力范围内显示出自旋交换。该结果清楚地展示了弹性变化与转移之间的关系，并在国内学术会议上发表。此外，穆斯堡尔谱显示在 80,000 atm 时四极位移发生变化，该变化低于自旋跃迁。这对应于磁矩方向切换的自旋翻转转变。尽管之前对该压力区已有很多研究，但自旋翻转尚未见报道，因此这种转变的发现是世界上首次，并提交给国际期刊发表。

项目成果

Magnetic Spin-Flop Transition of ε-FeOOH at 8 GPa

8 GPa 下 ε-FeOOH 的磁自旋翻转跃迁

• DOI: 10.7566/jpsj.92.043702
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 1.7
• 作者: Ikeda Osamu;Sakamaki Tatsuya;Mitsui Takaya;Fujiwara Kosuke;McCammon Catherine A.;Suzuki Akio
• 通讯作者: Suzuki Akio

P-V-T equation of state of α-ScOOH

α-ScOOH的P-V-T状态方程

• DOI: 10.1080/08957959.2022.2089568
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 2
• 作者: Ito Yoshiaki;Ikeda Osamu;Sakamaki Tatsuya;Kuribayashi Takahiro;Suzuki Akio
• 通讯作者: Suzuki Akio

ε-FeOOHの鉄スピン転移と弾性波速度

ε-FeOOH 中铁的自旋跃迁和弹性波速度

• 发表时间: 2022
• 作者: 池田理;坂巻竜也;福井宏之;内山裕士;三井隆也;藤原孝将;Alfred Q.R. Baron;鈴木昭夫
• 通讯作者: 鈴木昭夫

バイエルン地球科学研究所(ドイツ)

巴伐利亚地球科学研究所（德国）