R3: High-pressure science and deep Earth’s material

[R3-P-04] Determination of the stability of silica phases under high pressure by ultra-fast X-ray diffraction measurements

*Ryosuke SINMYO¹, Saori Kawaguchi-Imada², Takayuki Ishii³, Hiroshi Sakuma⁴, Ayase Ogawa¹, Kenta Kobayashi¹, Shuhou Maitani¹ (1. Meiji Univ. Sci. Tech., 2. JASRI, 3. Okayama Univ. IPM, 4. NIMS)

Keywords:SiO2, high pressure and high temperature, X-ray diffraction measurement, seifertite

シリカ(SiO₂)は地殻や沈み込み物質を構成する相であり、その高温高圧力下における安定相関係は地球深部の構造やダイナミクスを議論する上で重要な役割を果たす。例えばSiO₂のマントル最下部条件における相関係は、核マントル境界直上に到達した沈み込み物質や、若い核から析出したシリカに富む物質の物理・化学的特性を大きく支配する。また近年では、高圧シリカ相は沈み込み物質中の水のホスト相として注目を集めている。α-PbO₂型結晶構造のSiO₂ザイフェルタイト(seifertite)は下部マントル最下部条件で安定であるとされているが、CaCl₂型シリカ相とseifertiteの相境界には議論があり、マントル最下部においてどちらが安定かは未だに不明確である。先行研究によっては、熱力学的平衡状態としては考えにくい、2相が共存する温度圧力領域がマントル最下部に報告されている。結晶構造相転移の際に反応速度論的な影響が大きく、相転移境界の精密な決定が妨げられている可能性がある。本研究ではCaCl₂型相とseifertiteの相境界を決定するためにレーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセルを用いた高温高圧力実験を行った。先行研究において指摘されている反応速度論的な問題を解決するために、新しく高速X線回折測定を高温高圧力下で行い、かつ出発物質相を従来とは変えて実験を行った。出発物質の合成にはマルチアンビルを用い、高速X線回折測定はSPring-8 BL10XUで実用化された短時間加熱・測定統合制御システムを用いた。最大およそ160 GPaの圧力下で、最長でも1秒間の短時間加熱実験を行い、加熱中に2-200ミリ秒毎の高速X線回折測定を行った。得られたX線回折パターンは比較的圧力の低い試料であれば2ミリ秒の測定でも十分な回折強度が得られることを示していた。今回の条件では加熱開始後、およそ100-300ミリ秒程度でCaCl₂型相、あるいはseifertiteの相割合は最大値に達し、以降は変化が見られなかった。先行研究では2相が共存したとされる温度圧力領域において、本研究では2相が同時に成長することはなかった。加熱開始直後の極短時間において出現相を決定することが可能となったことで、従来よりも明確に相境界を制約できると考えられる。得られた結果から、マントル最下部において安定なSiO₂相を議論する。