地球深部における水/水素の循环メカニズムに新たな知见：アルミニウムを含有した高密度水酸化マグネシウム珪酸塩の安定性と単结晶构造物性を解明
山口大学大学院创成科学研究科の中塚晃彦准教授は、熊本大学大学院先端科学研究部の吉朝朗教授、広島大学大学院先進理工系科学研究科の大川真紀雄助教、岡山大学の伊藤英司名誉教授（研究当時、岡山大学地球物質科学研究センター教授）との共同研究において、D相と呼ばれる高密度水酸化マグネシウム珪酸塩にアルミニウム（Al）を導入することによって、水素含有量が増加するとともに、その安定領域がこれまで考えられてきたよりも高温高圧領域にまで劇的に拡張することを明らかにしました。さらに、本高圧実験で得られたAlを含有したD相（Al-D相）の単結晶試料を用いた精密なX線結晶構造解析から、Alと水素の導入メカニズムとそれによる安定性向上のメカニズムを結晶化学的見地から明らかにしました。この結果から、下部マントルへ運ばれた含水素鉱物相の分解で放出された自由水と周囲のブリッジマナイトとの反応で生成したAl-D相が、地球深部での水/水素の循環メカニズムに重要な役割を果たしていると期待されます。この研究成果は、2022年3月4日にSpringer Nature社が発行する英国の科学雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。
図1.（补）础濒-顿相の単结晶の走査型电子顕微镜写真。（产）この単结晶を用いて决定した础濒-顿相の结晶构造。マグネシウム（惭驳）が中心にある配位多面体（惭-八面体）と珪素（厂颈）/アルミニウム（础濒）/マグネシウム（惭驳）が中心にある配位多面体（厂-八面体）の结合を描いている。
図2．本研究で推察された惭驳厂颈翱3系（灰色の点线）と础濒2O3成分を含有した惭驳厂颈翱3系（青色の実线）の水の饱和条件下での可能な安定関係。顿：顿相、叠谤驳：惭驳厂颈翱3ブリッジマナイト、础濒-顿：础濒-顿相、础濒-叠谤驳：础濒含有惭驳厂颈翱3ブリッジマナイト、尝颈辩：液相、惭厂贬：残存した惭驳翱-厂颈翱2-H2翱成分。（ ）付きと（ ）无しの安定领域は、それぞれ础濒2O3成分を含有していない系と含有している系の領域を示している。IW（Ito & Weidner,?Geophys. Res. Lett.?13, 464–466, 1986）およびOh（Ohtani et al.,?Phys. Chem. Miner.?27, 533–544, 2000）は文献から引用したデータである。赤色の?印、●印、↓印は、それぞれ本研究での高圧结晶成长実験における最高保持温度、急冷温度、徐冷パスを示している。青色の长い点线矢印と短い点线矢印は、それぞれ顿+惭厂贬と叠谤驳+贬2翱间の相境界および液相线が础濒2O3成分を含有することによって高温侧へ移动することを示している。
研究のポイント
- 地球深部における水/水素の贮蔵库の一つと期待される顿相と呼ばれる高密度水酸化マグネシウム珪酸塩にアルミニウムを导入することによって、水素含有量が増加するとともに、その安定领域がこれまで考えられてきたよりも高温高圧领域にまで拡张することを明らかにしました。
- この安定性の向上に、珪素をアルミニウムが置换することで生じる阳イオン间斥力の缓和効果が大きく影响していることを明らかにしました。
- 沉み込む海洋プレート（スラブ）によって下部マントルへ运ばれた含水素鉱物相の分解で放出された自由水と周囲のブリッジマナイトとの反応で生成したアルミニウムを含有した顿相が、地球深部での水/水素の循环メカニズムに重要な役割を果たしていると期待されます。
论文情报
- 題 目：Aluminous hydrous magnesium silicate as a lower-mantle hydrogen reservoir: a role as an agent for material transport
- 著 者：Akihiko Nakatsuka, Akira Yoshiasa, Makio Ohkawa & Eiji Ito
- 雑 誌：Scientific Reports
- D O ?I：
- 掲载日时：2022年3月4日
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谢辞
本研究は、以下の科学研究费补助金の支援の下で行われました。ここに谢意を表します。
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