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[R3-08] 含水SiO2の高圧下弾性波速度測定と下部マントル中の低速剪断波領域の起源への考察
「発表賞エントリー」
キーワード：高圧実験、下部マントル、水、弾性波測定
含水SiO2の高圧下弾性波速度測定と下部マントル中の低速剪断波領域の起源への考察 沈み込むスラブを通して下部マントルへと供給された地殻物質は、S-to-P散乱体や核マントル境界(CMB)上部のLLSVPの剪断波速度異常低下の成因として有力な候補の一つである。SiO2の高圧相はMORB中で最も「硬い」鉱物として知られ、下部マントル全圧力領域において、MORB総体積の20-30%を占める。しかし、Rutile型からCaCl2型への2次相転移によって、急激に剪断波速度が低くなる（Reuss平均では剛性率が0）ため、SiO2はS-to-P散乱体の低い剪断波をもたらす起源の候補である。これらの散乱体は下部マントル中800-1600 kmという非常に幅広い深さで検知されているが、純粋なSiO2の相転移圧力はこれに比べて高すぎる[1]。SiO2の強弾性相転移は水やアルミニウムの固溶によって優位に低下することから[2]、MORB中の含水SiO2がS-to-P散乱体を作り出すという仮説が有力である。加えて、SiO2のCaCl2相(post-stishovite)は水を多く固溶し、高温高圧環境までwt.%オーダーの水を保持することが近年の研究で示唆されている[3,4]。しかし、下部マントルの中域〜マントル最下部圧力までの含水SiO2の弾性波速度の測定実験を一貫しておこなった実験はこれまでにない。 そこで、本研究では、高圧合成した含水StishoviteをDACに封入し、ブリルアン散乱分光実験をおこない、高圧下での含水post-stishovite剪断波速度を決定した。得られたBrillouin散乱スペクトルのピーク位置から弾性波速度を計算している。
弾性波速度の含水による効果を抽出するため、無水SiO2の剪断波速度の圧力依存性を知りたい。無水SiO2の横波速度に関して、約70 GPaまでBrillouin散乱分光実験が行われた先行研究をもちいて[5]、有限歪の方程式でフィッティングをおこなった。その結果、(1)無水post-stishoviteの弾性波速度は理論値[6]よりも大幅に小さく、(2)含水post-stishoviteはそれよりさらに低速であったが、横波速度は圧縮されるほどに無水のそれに近づく様子が見られた。
本研究で得られた結果を用いた地球科学的な議論は以下の通りである。なお、地温勾配・熱弾性パラメーターなど幾らかの仮定をおいていることは注意されたい。マントルジオサームに沿った場合、下部マントル中域まで含水SiO2相の剪断波速度がPREMのそれよりも低い値を示した。このことは、S-to-P散乱体の剪断波速度異常は、旧来提唱されてきた相転移時の一時的な弾性波速度低下のみではなくSiO2の含水がこれら弾性波速度低下でも再現し得ることを示唆している。一方で、CMB直上でのMORBの弾性波速度はSiO2が無水の場合と含水の場合[本研究]でほとんど変わらなかった。以上の含水post-stishoviteの圧縮挙動に関する傾向は、つい最近発表された第一原理計算の結果と調和的である[7]。本研究結果ならびに先行研究の再解析により、無水・含水いずれの場合でもMORBの弾性波速度はPREMのそれを下回りLLSVPsの形成に寄与する可能性が示唆された。
[1] Zhang et al., Phys. Rev. Lett. (2021).
[2] Lakshtanov et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. (2007).
[3] Tsutsumi et al., Nat. Geosci. (2024).
[4] Lin et al., Earth Planet. Sci. Lett. (2022).
[5] Asahara et al., Am. Mineral. (2013).
[6] Stixrude and Lithgow-Bertelloni GJI(2022).
[7] Zhang et al., Geophys. Res. Lett. (2024).
弾性波速度の含水による効果を抽出するため、無水SiO2の剪断波速度の圧力依存性を知りたい。無水SiO2の横波速度に関して、約70 GPaまでBrillouin散乱分光実験が行われた先行研究をもちいて[5]、有限歪の方程式でフィッティングをおこなった。その結果、(1)無水post-stishoviteの弾性波速度は理論値[6]よりも大幅に小さく、(2)含水post-stishoviteはそれよりさらに低速であったが、横波速度は圧縮されるほどに無水のそれに近づく様子が見られた。
本研究で得られた結果を用いた地球科学的な議論は以下の通りである。なお、地温勾配・熱弾性パラメーターなど幾らかの仮定をおいていることは注意されたい。マントルジオサームに沿った場合、下部マントル中域まで含水SiO2相の剪断波速度がPREMのそれよりも低い値を示した。このことは、S-to-P散乱体の剪断波速度異常は、旧来提唱されてきた相転移時の一時的な弾性波速度低下のみではなくSiO2の含水がこれら弾性波速度低下でも再現し得ることを示唆している。一方で、CMB直上でのMORBの弾性波速度はSiO2が無水の場合と含水の場合[本研究]でほとんど変わらなかった。以上の含水post-stishoviteの圧縮挙動に関する傾向は、つい最近発表された第一原理計算の結果と調和的である[7]。本研究結果ならびに先行研究の再解析により、無水・含水いずれの場合でもMORBの弾性波速度はPREMのそれを下回りLLSVPsの形成に寄与する可能性が示唆された。
[1] Zhang et al., Phys. Rev. Lett. (2021).
[2] Lakshtanov et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA. (2007).
[3] Tsutsumi et al., Nat. Geosci. (2024).
[4] Lin et al., Earth Planet. Sci. Lett. (2022).
[5] Asahara et al., Am. Mineral. (2013).
[6] Stixrude and Lithgow-Bertelloni GJI(2022).
[7] Zhang et al., Geophys. Res. Lett. (2024).