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【研究成果】SPring-8で地球マントル主要鉱物の高圧相転移を超高精度で決定 ~地球マントル660km不連続の成因を解明~

概要

ドイツ連邦共和国バイロイト大学バイエルン地球科学研究所の石井貴之研究員・桂 智男教授、高輝度光科学研究センター回折・散乱推進室の丹下慶範・肥後祐司主幹研究員らとブリストル大学・ドイツ電子シンクロトロン・北京高圧科学研究センター・東北大学・広島大学・岡山大学の国際共同研究チームは、大型放射光施設SPring-8(注1)の放射光X線を利用した高温高圧下その場観察実験(BL04B1)と熱化学計算を組み合わせて、上部マントルの主要鉱物リングウッダイトから下部マントル主要構成鉱物のブリッジマナイトとフェロペリクレースへの分解反応(ポストスピネル転移)を精密に決定しました。この相転移(注2)は、地球の上部・下部マントルの境界となる660km不連続(注3)を引き起こすと考えられてきましたが、これまでの相転移実験では、2km以下であると報告されている660km不連続の極端な薄さを説明することが出来ませんでした。今回、独自に開発した世界最高精度の高温高圧実験と熱化学計算によりポストスピネル転移の圧力幅が地震学的観測で検出できる厚みよりさらに一桁薄いことを示し、660km不連続がこの相転移で説明できることを明らかにしました。

本研究成果は、全地球マントルがパイロライト(注4)組成であるという説が有力であることを明らかにすると共に、マントル対流の新しい検出方法を提案しています。この手法を用いれば、これまで検出不能であった地球マントルのダイナミクスを明らかすることが出来ます。

本研究成果は、世界最高の地球科学の学術雑誌「Nature Geoscience」に掲載されました。 

 

用語解説

(注1)大型放射光施設SPring-8
理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援はJASRIが行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来しています。SPring-8では、放射光と呼ばれる非常に強い光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。

(注2)相転移
結晶を構成する原子は規則正しく配列していますが、圧力・温度が変化すると、全く違った配列に変化することがあります。これを相転移と言います。地球を構成する主要な鉱物は、地球深部の深さに相当する圧力で様々な相転移を起こし、より高密度の鉱物(高圧鉱物)になります。

(注3)マントル660km不連続
660km不連続とは、マントルの深さ660kmに存在する、地震波速度や密度が急激に変化する領域です。この不連続により、マントルは上部マントルと下部マントルに分けられます。660kmに対応する圧力と温度は23万気圧・1700℃と見積もられています。この不連続は、その他マントルで観測される不連続に比べ、非常に狭い厚み(2km以下)を持っています。例えばもう一つの地震学的不連続である410km不連続は、7kmもの厚みを持っています。上部マントル底部の物質中の主要な鉱物であるリングウッダイトの相転移、または、この境界での構成岩石の変化が原因であると考えられています。

(注4)パイロライト
地球の上部マントルを構成すると考えられている岩石。最上部マントルに由来する火山捕獲岩の組成から推定されました。下部マントルに関してはパイロライトが主要であるとする説と、より珪素に富んだ物質(ペロブスカイタイト)からできているとする説があります。

図1: 地球マントルの主要モデル

論文情報

  • 論文題名:Sharp 660-km discontinuity controlled by extremely narrow binary post-spinel transition
    (日本語訳:転移幅の極めて狭い2成分系ポストスピネル転移が引き起こす鋭い660km不連続)
  • 著者:Takayuki Ishii, Rong Huang, Robert Myhill, Hongzhan Fei, Iuliia Koemets, Zhaodong Liu, Fumiya Maeda, Liang Yuan, Lin Wang, Dmitry Druzhbin, Takafumi Yamamoto, Shrikant Bhat, Robert Farla, Takaaki Kawazoe, Noriyoshi Tsujino, Eleonora Kulik, Yuji Higo, Yoshinori Tange, Tomoo Katsura
  • 学術雑誌名:Nature Geoscience
     
【お問い合わせ先】

バイロイト大学 バイエルン地球科学研究所
石井 貴之
E-mail:Takayuki.ishii*uni-bayreuth.de (注:*は半角@に置き換えてください)

公益財団法人 高輝度光科学研究センター 放射光利用研究基盤センター 回折・散乱推進室
丹下 慶範
TEL:0791-58-0802 
E-mail:yoshinori.tange*spring8.or.jp(注:*は半角@に置き換えてください)

【報道に関すること】
(SPring-8 / SACLAに関すること)
公益財団法人 高輝度光科学研究センター 利用推進部 普及情報課 
TEL:0791-58-2785
E-mail:kouhou*spring8.or.jp(注:*は半角@に置き換えてください)

東北大学理学研究科・理学部広報・アウトリーチ支援室
TEL:022-795-6708
E-mail:sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp(注:*は半角@に置き換えてください)

広島大学 財務・総務室 広報部 広報グループ
TEL:082-424-6781
E-mail:koho*office.hiroshima-u.ac.jp(注:*は半角@に置き換えてください)

岡山大学 総務・企画部 広報課
TEL:086-251-7292
E-mail:www-adm*adm.okayama-u.ac.jp(注:*は半角@に置き換えてください)

 


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