Research Projects -
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Experimental determination of carbon isotope fractionation in theFe-C system under HPHT conditions.
Grant number：23654186 2011 - 2012
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
エム サティッシュ-クマール, YOSHINO Takashi
Grant amount：\3640000 （ Direct expense: \2800000 、 Indirect expense：\840000 ）
Equilibrium carbon isotope fractionation between graphite/diamond and iron carbide melt at 5 and 10 GPa and in the temperature range between 1200 and 2000 oC was determined. The results suggest that iron carbide melt will preferentially accumulate12^C rather than 13^C. We proposed that the temperature-dependent fractionation of carbon isotopes between iron carbide melt and graphite/diamond might have created a “12^C-enriched core” with a significant difference in the distribution of carbon isotopes between the carbon in the metallic core and bulk silicate Earth during the accretion and differentiation of early Earth.
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Grant number：22224008 2010.04 - 2015.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S) Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
YONEDA Akira, ITO Eiji, YAMAZAKI Daisuke, YOSHINO Takashi, TOMIOKA Naotaka, TSUJINO Noriyoshi, OSAKO Masahiro
Grant amount：\201760000 （ Direct expense: \155200000 、 Indirect expense：\46560000 ）
The HGP at ISEI reproduced core mantle boundary (CMB) condition in the SD-KMA for experiments. The SD-KMA is superior to DACs for quantitative studies because of its much larger (~1,000 ×) cell volume. Some studies, such as grain growth, diffusion, and phase relationships, can only be conducted reliably and with reproducibility in the SD-KMA. Another imporatant contribution is to measure thermal conductivity of pyroxenes under high temperature and high pressures.The other aspect of this project is the study of the elasticity of MgSiO3 perovskite and Post-perovskite.
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Observational and experimental study on water contentin the Earth's mantle
Grant number：22340124 2010 - 2012
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
TOH Hiroaki, HAMANO Yozo, YOSHINO Takashi
Grant amount：\11310000 （ Direct expense: \8700000 、 Indirect expense：\2610000 ）
Water in the Earth’s mantle as a trace element significantly modifies physical properties of our mantle as well as its convection mode. In this study, we focused on the mantle transition zone, which has been revealed to have high potential for water storage, and aimed at delineating its water content by both seafloor electromagnetic (EM) observation and high-pressure/temperature experiments. The laboratory experiments showed that a small amount of water (<0.1 wt%) cannot have a significant impact on electrical conductivity of the mantle minerals in the transition zone, while the seafloor EM observation revealed a relatively dry (up to a few permil) transition zone beneath the Northwest Pacific Basin.
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Electromagnetic Imaging of Geofluid
Grant number：21109003 2009.07 - 2014.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area) Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
OGAWA Yasuo, FUJITA Kiyoshi, KANDA Wataru, MATSUSHIMA Masaki, YOSHINO Takashi, TOH Hiroaki, UYESHIMA Makoto, ICHIKI Masahiro, KOYAMA Takao
Grant amount：\168220000 （ Direct expense: \129400000 、 Indirect expense：\38820000 ）
From the detailed magnetotelluric observations around the Naruko volcano in the central NE Japan arc, we analyzed three-dimensional resistivity structure of the crust and the upper mantle. We found sub-vertical conductors beneath active volcanoes, Naruko and Onikobe, which imply existence of saline fluid reservoir. In the upper mantle, we imaged a conductor on top of the down-going plate. The conductor extends towards the Moho under the backbone ranges. We also found that it also has a branch toward west beneath volcanoes along the Japan Sea. From the experimental resistivity measurements of a fluid bearing rocks under lower crustal conditions, we found that those crustal conductors, found by magnetotelluric measurements, need high salinity fluids.
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Rheology of post-perovskite and the lowermost lower mantle inferred from high pressure experiments
Grant number：21340128 2009 - 2011
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
YAMAZAKI Daisuke, ITO Eiji, YOSHINO Takashi, KATSURA Tomoo
Grant amount：\18590000 （ Direct expense: \14300000 、 Indirect expense：\4290000 ）
Post-perovskite is considered to be the dominant phase in the lowermost lower mantle(D "layer). Therefore, we investigated rheology of post-perovskite associated with the phase transformation from perovskite to post-perovskite by means of high pressure experiments to understand the dynamics of the earth's interior. Grain size is a key parameter which controls the mechanism of deformation and viscosity of constituting materials. Based on present experimental results, significant grain size reduction occurs during phase transformation and hence viscosity reduction is expected in the Dlayer.
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巨大単結晶と大容量超高圧発生技術に基くマントル深部のレオロジー
Grant number：20224010 2008 - 2012
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(S) 基盤研究(S)
桂 智男, 米田 明, 山崎 大輔, 芳野 極, 安東 淳一, 伊藤 英司, 富岡 尚敬
Grant amount：\198900000 （ Direct expense: \153000000 、 Indirect expense：\45900000 ）
1. 本年度、設備備品として、精密イオンポリッシングシステム(PIPS691)・PIPSコールドステージ・GATAN636試料冷却2軸傾斜ホルダ・試料ホルダ予備排気装置・GATANデジタルマイクログラフソフトウェァを購入し、セットアップを行った。
2. 単結晶フォルステライトの珪素自己拡散係数を圧力3～13GPa、温度1600Kと1800Kで測定じた。単結晶試料の化学組成は、電子線マイクロープローブで調べた限り不純物は検出されない純粋なMg2Si04である。拡散の方向は[100]および[001]である。超高圧高温拡散実験は川井型マルチアンビル装置で行い、拡散プロファイル測定は二次イオン質量分析計で行った。得られた拡散係数は、1600Kでは10^<-20>～10^<-21>m^2s^<-1>、1800Kでは10^<-19>m^2s^<-1>であった。これにより、活性化エネルギーは430kJ/mol、活性化体積は1.3x10^<-6>m^3/molと見積もった。
今回得られた拡散係数は1気圧下での測定結果より2桁以上拡散係数が大きい。これは圧力効果では説明できない。他の研究結果と合わせて総合的に検討すると、拡散実験中に圧力媒体から進入してきた水がフォルステライト結晶中に欠陥を作るためと考えられる。無水条件下で拡散実験をするための特別な技術の開発が必要であることがわかった。
3. 単結晶試料によるMgSi03ペロフスカイトの珪素自己拡散実験を行った。拡散実験は、圧力23GPa、温度1870Kと2070Kで行った。単結晶試料によって得られた珪麦自已拡散係数は、他結晶試料によって得られた珪素自己拡散係数と誤差の範囲で一致する。また、有意な結晶方位依存性は見られない事が分かった。
4. MgSi03ペロフスカイトの変形実験用の単結晶試料を合成し、4軸回折計・EDS付SEMによって結晶性・化学組成・包有物の有無な調べた。単結晶試料は結晶軸方向に垂直な面で研磨した。現在、変形実験用長高圧セルの開発を行っている。 -
Grant number：20340120 2008 - 2010
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
YOSHINO Takashi, YAMAZAKI Daisuke, YONEDA Akira, KATSURA Tomoo, ITOU Eiji
Grant amount：\18720000 （ Direct expense: \14400000 、 Indirect expense：\4320000 ）
In order to determine physical properties of partially molten peridotite, we renewed operation system of a DIA-type mutianvil press with deformation finction. We compared electrical conductivities of the partial molten peridotites under hydrostatic and shear stress conditions. Preliminary result suggested that the conductivity parallel to shear direction is one order of magnitude higher than that normal to the shear direction. This result is consistent with the conductivity anisotropy observed at top of the asthenosphere and suggests a presence of partial molten zone at that depth.
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Grant number：19204044 2007 - 2010
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A) Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
YONEDA Akira, KATSURA Tomoo, YAMAZAKI Daisuke, YOSHINO Takayoshi, ITOU Eiji, ANTON Shatskiy
Grant amount：\48620000 （ Direct expense: \37400000 、 Indirect expense：\11220000 ）
Single crystal stishovite was grown in the high pressure apparatus. Its quality was checked by X ray, FTIR, and EPMA techniques. Crystal orientation was determined by precession camera. It was shaped to a rectangle with 200-500 micron meters. By detecting 20 peaks in high frequency resonance ultrasound spectroscopy, crystal elastic constants were determined. Porosity effect was systematically analyzed by using the buffer layer model in FEM analysis. The result was formulated as an elegant function of Poisson ratio, asperity, and porosity.
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Two-phase rheology of earth's lower mantle
Grant number：18340173 2006 - 2008
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
YAMAZAKI Daisuke, KATURA Tomoo, YOSHINO Takashi, ITO Eiji, OFUJI Hiroaki
Grant amount：\15800000 （ Direct expense: \14600000 、 Indirect expense：\1200000 ）
地球の下部マントルは主要に珪酸塩鉱物とフェロペリクレースで構成されていることから、単相ではなく2相系としてのレオロジー特性が重要であるとの認識に基づき、2相系の下部マントル岩石を実験室内で再現するために高温高圧実験を行った。実験試料の微細構造観察により、比較的低温である沈み込んでいくスラブの粘性率はフェロペリクレースのそれに制約されていること、マントル最下部で観測されている地震波速度の異方性はフェロペリクレースに起因していることを明らかにした
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地球マントル物質の電気伝導度〜水の影響について
Grant number：18740280 2006 - 2007
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
芳野 極
Grant amount：\3200000 （ Direct expense: \3200000 ）
本度は、上部マントルの主要構成紘物であるカンラン石、ウオズリアイト、リングウッダイトの電気伝導度への水の影響に関する研究を引き続き行った。水入りかんらん石の電気伝導度への水の寄与に関しては、前年度のうちにNature誌に公表されたが、同じ号に掲載された他のグループの同種の論文の結果と大きく異なっていることが分かった。この2つの結果の大きな違いが生じる原因として、測定温度領域の違いと我々の用いたサンプルが単結晶であるのに対し、彼らの使用したサンプルが多結晶体であることが挙げられる。彼らの測定した温度領域は1000Kを超えるような高温領域であるため、かんらん石の電気伝導度メカニズムは高温で鉄の効果による小さなポーラロン伝導が卓越してくるので、単純に水の効果によるプロトン伝導だけを示さない。そのために、低温の測定を行うことが伝導メカニズムをより分けるために必要である。そこで本年度は水入りかんらん石の電気伝導度への影響を彼らと同じく多結晶体を用いて行った。我々は、多様な水の量を含むかんらん石を合成し、その電気伝導度を含水サンプルに関しては脱水がほとんど起こらない低温(<1000K)で無水に近いサンプルは高温までの幅広い温度領域で測定した。その結果、2つのメカニズムを分離することに成功し、求めたプロトン伝導の活性化エネルギーは、単結晶から得られたものに非常に良く合うことが確かめられた。一方で、前年度行ったウオズリアイト、リングウッダイトの電気伝導度への水の影響に関する論文を投稿した。その過程で査読者はインピーダンススペクトル解析の必要性を言及した。我々の通常の電気伝導度測定は、低周波数(0.1〜0.01Hz)の交流回路であることから、サンプルと電極の反応、プロトンの分極などの効果が現れる可能性を否定できない。そこで、新たにインピーダンススペクトル解析を幅広い周波数帯(1Mhz〜0.01Hz)で実施した。この解析結果から、低周波数測定から得られた電気伝導度とインピーダンススペクトル解析から得られた電気伝導度はほぼ一致することが確認された。この結果を踏まえて、論文を改訂し、2008年1月号のNature誌に公表された。
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電気伝導度測定による珪酸塩鉱物中の連結度の解明
Grant number：03J02518 2003 - 2005
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費 特別研究員奨励費
芳野 極
Grant amount：\3300000 （ Direct expense: \3300000 ）
本年度は、アメリカ合衆国ニューヨーク州トロイにあるレンセラー工科大学のワトソン教授の下で、主にピストンシリンダー高圧発生装置を用いた実験を行い、固液混合系における液相の分布形態の幾何学を回収試料の電子顕微鏡写真を用いて行った。液相の連結度は電気伝導度に非常に敏感であり、その微細構造の詳細を知ることは地球深部物質の液相の移動(浸透率)、弾性特性、レオロジーなどの物性を明らかにするのに非常に有効な手段である。
本年度前半は様々な二面角、ファセットの度合いを示す液相と固相からなる系を液相の体積分率を変えることにより、固相の表面が液相にどれだけ濡らされるのか(ウエットネス)を詳細な画像解析により調査した。ウエットネスは固相の全境界(固相? 固相境界および固液境界)面積に占める固液境界の比で表される。ウエットネスは概して液相の体積分率の増加につれて増加するが、二面角の小さな系ほど増加の度合いが大きいことが分かった。特に、ファセットの度合いの小さい系に関しては、理論から予測される値に近い結果を与えた。しかしながら、ファセットの度合いが大きくなるにつれ、ウエットネスは理論曲線からはずれて低い値を持つことが示唆され、これは結晶の表面エネルギーの異方性が大きくなると粒子のクラスター化、液相が不均質にプール状に集まるためであると推測される。また、液相の体積分率とウエットネスを対数でプロットすると傾き1/2で近似できることが分かった。このことは、液相の固相内における分布は、粒子の稜部を結ぶ線状のネットワークを形成していることを示す。この結果に基づき固液2相系における弾性モデルを構築した。
本年度後半はオリビン-水系の二面角の測定を1200度Cで1? 13GPaまでの範囲で行った。4GPa以上の実験はエール大学の唐戸教授のもと行った。二面角は圧力の上昇にともない急激に減少することが測定の結果から明らかになり、おそらく10GPa付近では二面角は0度に近くなることが示された。このことは少量の水の存在が上部マントル深部で物性に対し、多大な影響を与えることを示唆する。