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融解現象と初期地球の分化作用・マグマ
の起源
マグマの物性と地球進化のかかわり
１．はじめに：マグマ物性と地球進化
マグマ・結晶密度逆転
マグマオーシャンの諸過程
２マグマの物性：密度と粘性
上部マントル下部
CMB
マグマの物性;密度と粘性係数
マグマ物性の重要性
１．初期地球
２．現在の地球：上部マントル下部，CMB
３．地球外天体：月のマグマオーシャン，火星
地球・惑星の形成期，過去の進化過程，現在＝融体の挙動が重要
な役割を果たす
形成期の地球
マグマオーシャン
→マントルの分化
金属融体の分離
→核の形成
地球深部環境＝高温高圧下での
マグマ（珪酸塩融体）と
金属融体の密度・粘性が鍵
現在の地球にも，様々な融体がある
地球の形成，進化の過程には，融体の役割が重要
Island arc
Ridge
海
Ocean
Upper mantle
Subducting slab
マグマ
410 km
Mantle transition zone
660 km
→火山活動
Lower mantle
2900 km
Outer core
5150 km
Fe, Ni
＋
→地磁気
H, O, Si, S融体
Inner core
Ohtani (Elements, 2005)
地震学的研究
中国大陸下部、沈み込む太平洋スラブ下部、アメリカ大陸下
部：上部マントル底部に低速度層が存在する。(Revenaugh
and Sipkin, 1994; Zhao, 2004; Song et al., 2004)
Molten zone
Revenaugh and
Sipkin (1994)
（１） メルトの密度と状態方程式
液体の密度の測定方法
固体の密度はX線粉末回折による格子定数の精密
測定によって測定できる．しかし，液体では困難：
１． 浮沈法：密度標準の使用： カンラン石，ダイヤモンドなど
２． 吸収法：X線の吸収強度にもとづいて密度を決定する．
３． イメージング：３次元の形状を精密に測定する：X線トモグラフィ
浮沈法による液体の密度の決定方法
Experimental procedure
高圧発生：Kawai型高圧発生装置
高温発生：LaCrO3 heater
温度測定：W97%Re3%-W75%Re25%熱電対
組織観察：SEM
組成分析：エネルギー分散型EPMA
メルトの密度判定：ダイヤモンド結晶の浮沈法
圧力温度領域：～20 GPa、～2200℃
Cross-section of the furnace assembly
Diamond about
100μmφ
Graphite+platinum double cupsule
Density calculation of diamond
Physical properties of diamond
ρ0(g/cm3)
KT(GPa)
-6
-8 2
3.513+7.4×10 T-3.8×10 T +7.1×10
2
2
444.8-0.000012(T -300 )
4.03
dK/dP
-12 3
T
a
a
b
a, Zouboulis and Grimsditch (1998)
b, McSkimin and Andreatch (1972)
Birch-Murnaghanの状態方程式
P＝3/2KT{(ρ/ρ0)7/3－(ρ/ρ0)5/3}[1－3/4(4－K’){(ρ/ρ0)2/3－1}]
Density of peridotite malt
(PHN1611) by Suzuki and Ohtani
(2003)
K= 32 GPa, K’=4.6
これまでの研究の問題点
ダイヤモンド浮沈法による密度測定
Experimental results
Scanning electron microscopic image of the Run M2765 (flotation
of diamond) 18.2GPa、2200℃, duration 60s
500μm
UP
melt
platinum capsule
graphite capsule diamond
After Suzuki and Ohtani (2003)
Dry MORB, Hydrous MORB (2wt.%, 8wt.% water)
Partial Molar Volume of Water in Magma
Subtracting the volumes of the dry melt from that of the hydrous melt
for the unit mass, we obtained the excess volume of hydrous melt, i.e.,
the partial volume of water in hydrous MORB melt of the mass.
Density of dry MORB
at 2200oC and 2500oC
K=18.7+2.1 GPa, K’=5.0+0.7
Ohtani and Maeda (2001)
マグマの密度への水の影響
上部マントル最下部は，無水の橄欖岩，瑠輝岩（エクロジャイト）の融点よりも
低温
メルトは，無水ではない．
上部マントル最下部に含水マグマが存在するか．
3.8
MORB with 2wt.%H2O:
3.7
K=13.8+2.2GPa
K’=5.0+0.7
dry MORB melt at 2200℃
↓
Density= 3.55+0.05 g/cc
at 16.6GPa and 2300 C
3.6
Diamond at 2300℃
↓
3.5
↑
Diamond at 2200℃
MORB melt+8wt.%H2O
at 2200℃
3.4
3.3
↑
MORB with 8 wt.% H2O:
K=6.5+1.6 GPa
K’=5.0+0.7
↑
Density= 3.58+0.02 g/cc
at 20.0GPa and 2200 C
MORB melt+2wt.%H20 at 2300℃
3.2
10
12
14
16
18
20
Pressure (GPa)
Fig. 1. Sakamaki, Suzuki, Ohtani
22
Compression curve of melts
Birch-Murnaghan Equation of State
P＝3/2KT{(ρ/ρ0)7/3－(ρ/ρ0)5/3}[1－3/4(4－K’){(ρ/ρ0)2/3－1}]
・Density at ambient pressure and high temperature:ρ0
・Isothermal bulk modulus: KT
・Pressure derivative of the bulk modulus: K’
MORB with 2wt.%H2O: K=13.8+2.2GPa, K’=5.0+0.7
MORB with 8 wt.% H2O: K=6.5+1.6 GPa, K’=5.0+0.7
マグマ中の水の部分モル体積
水の部分モル
体積：
高圧下での他の含水珪酸塩
メルトの密度を見積もる。
2200℃における水の部分モル体積
16.8GPa・・・8.52 cm3/mol (This study)
20.0GPa・・・8.28 cm3/mol (This study)
0GPa・・・35.25 cm3/mol (OchsⅢ and Lange、1999)
1.0GPa・・・32.05 cm3/mol (OchsⅢ and Lange、1999)
50
Birch-Murnaghan EOS with
K=1.3+0.3GPa and K’=3.6+0.1 at
2200oC
40
30
20
Molar volume of H2O
↓
↑
10
Partial molar volume
of H2O in magma
0
0
5
10
Pressure (GPa)
Fig. 2. Sakamaki, Suzuki, Ohtani
15
20
Density of hydrous basalt and peridotite magmas
Partial melt in the hydrous mantleUltramafic
Basalt magma
2.5 wt.%
water
Peridotite magma
5.2 wt.%
water
マグマに密度に対するCO2の影響
DBC-19 (19 GPa, 2573 K and 1min)
run DBC-10 (20 GPa, 2573 K and 1min)
50
3.8
This work
sink
ref. data
45
float
Dry MORB melt at 2573 K
3.7
3.6
Volume (cm3/mol)
Density (g/ cm 3)
40
Diamond at 2573 K
3.5
35
Molar volume of CO2
30
25
3.4
20
3.3
Partial molar volume of CO2 in magma
MORB melt + 5 wt.% CO2 at 2573 K
15
0
5
10
15
3.2
10
12
14
16
18
Pressure (GPa)
20
22
24
Pressure (GPa)
20
25
30
Depth (km)
Depth (km)
100
200
300
400
100
500
300
400
500
4.1
4.1
b
a
3.9
3.9
3.7
3.7
ak-135
ak-135
Density (g/ cm3)
Density (g/ cm3)
200
3.5
3.3
MORB + 2 wt.% H2 O
3.1
Peridotite + 2 wt.% H2 O
3.5
3.3
Dry peridotite
3.1
Peridotite + 8 wt.% H2O
Dry MORB
MORB + 5 wt.% CO2
2.7
Peridotite + 5 wt.% CO 2
2.9
2.9
2.7
MORB + 8 wt.% H2O
2.5
2.5
0
2
4
6
8
10
12
Pressure (GPa)
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
Pressure (GPa)
14
16
18
20
最近の我々の研究によって，
含水マグマが上部マントル
底部に溜まっている可能性
が示された
マグマの密度（移動方向），
マグマの粘性率（移動のしや
すさ）を調べることが必要
地震学的研究
中国大陸下部、沈み込む太平洋スラブ下部、アメリカ大陸下
部：上部マントル底部に低速度層が存在する。(Revenaugh
and Sipkin, 1994; Zhao, 2004; Song et al., 2004)
Molten zone
Revenaugh and
Sipkin (1994)
(Ohtani and Maeda, 2001)
Supply H and O at the base of the lower mantle
Generation of volatile rich plume
Existence of Dense Hydrous Melt at the Base of the Upper Mantle
Island arc
Hotspot
Ridge
Ocean
Upper mantle
410 km
Mantle transition zone
660 km
Lower mantle
Dense hydrous
melt at the base
of the upper
mantle : Water
up to 5.2 wt.%
2900 km
Outer core
5150 km
Inner core
１５
・Ｘ線吸収法を用いた
玄武岩マグマの無水、含水条件下
における密度測定
Principle
I0
t
μ, ρ
I
Lambert-Beer's law
I= I0 exp(-μρt)
ρ=-ln(I/I0)/μt
I0: 入射X線強度
I : 透過X線強度
μ: 質量吸収係数 (cm2/g)
ρ: 密度 (g/cm3)
t : 厚さ (cm)
μ and t → ρ
高温高圧下での液体の密度測定
・Ｘ線吸収法(Katayama et al.,1993,1996) a
 t ρ：試料の密度
I  I0e
X-ray
b
Ｉ：透過Ｘ線強度
Ｉ0：入射Ｘ線強度
X-ray
μ：Ｘ線質量吸収係数 ｔ：試料の厚さ
・浮沈法(Suzuki et al., 1995)
密度マーカーの
浮き沈みで測定
I/I0
Ruby
Sample
I/I0
Absorption Profile
X線に対して垂直方向に移動
ion chamber
I0
ln(I/I0)
I
diamond capsule
X-ray
Absorption Profile
ln(I/I0)
I0
I
Absorption Profile
ln(I/I0)
I0
I
Absorption Profile
ln(I/I0)
I0
I
Mass Absorption Coefficient
Ｘ線質量吸収係数μ
・原子番号
・Ｘ線のエネルギー
にのみ依存
常温常圧下の吸収係数
ll
高温高圧下の吸収係数
Ｘ線
出発試料と同じ組成のガラスを
円柱状に成形し、常温常圧下で測定
（密度は重液で予め測定しておく）
成形したガラス
Diamond Capsule
ダイアモンドカプセルの外圧と内圧
4
外圧＝内圧
＠高温
3.5
MgO EoS
0.5 mm
内径 : 0.5mm
外径 : 1.0mm
高さ : 1.0mm
・変形しにくい
・X線を吸収しにくい
・珪酸塩メルトと反応しない
Pressure (GPa)
3
2.5
2
Outer Pressure
Inner Pressure
Outer - Inner
1.5
1
0.5
0
0
200 400 600 800 1000120014001600
Temperature (℃)
Density Calculation
②
Diamond
t=2×(R02-x2)1/2
R0
X
t
①
R0: カプセルの内径
X : カプセル中心からの距離
Sample
① (I/I0)Sam+Env= exp(-μρt)Sam× exp(-μρt)Env
①/② ② (I/I0)Dia+Env= exp(-μρt)Dia× exp(-μρt)Env
(I/I0)Sam-Dia= exp{(- μ ρ t )Sam - (- μ ρ t )Dia}
Experimental Setup
単色X線エネルギー : 23keV
アンビル先端サイズ : 6mm & 4mm
X線吸収法を用いた融体の密度測
定@SPring-8, BL22XU
23 keV
Monochromatic beam
DIA-type cubic anvil apparatus
180 ton press
180 ton
小型の装置であるため，5GPaまでが限界
マントル遷移層に達することはできない
(Sakamaki et al., 2006)
Furnace Assembly
Dry MORB
SiO2
Hydrous MORB
51.8 wt%
49.2 wt%
Al2O3 16.0 wt%
15.2 wt%
FeO
10.0 wt%
9.5 wt%
MgO
7.9 wt%
7.5 wt%
CaO
11.7 wt%
11.1 wt%
Na2O
2.7 wt%
2.6 wt%
H2O
5.0 wt%
Temperature：W97Re3-W75Re25 T.C.
Pressure：EoS of MgO, EoS of hBN
Run Table
Run
Pressure (GPa)
Temperature (oC)
Dry MORB
DM01
1.2
1400
DM02
1.7
1427,1477,1525,1575,1620
DM03
3.3
1574,1616,1658,1700
DM04
4.6
1627,1727
HM01
1.0
1450
HM02
2.5
1450
HM03
3.3
1430
HM04
4.0
1420
Hydrous MORB
4
glass
glass @300K
glass @700K
crystal @1300K
crystal @1500K
melt @1700K
3
11
Density (g/cm )
1.1
1.1
3.5
I/I0
I/I
0
0.9
0.9
0.8
0.8
0.7
0.7
melt
crystal
0.6
0.6
-0.6 -0.5
-0.5 -0.4
-0.4 -0.3
-0.3 -0.2
-0.2 -0.1 0
-0.6
(mm)
xx(mm)
(mm)
3
2.5
0.1 0.2
0.2
X-ray absorption of MORB glass,
crystal and melt @1.7GPa.
crystal
glass
melt
0
500
1000
1500
Temperature (K)
Density of MORB glass,
crystal and melt @1.7GPa.
2000
Dry MORB melt density @ 1.7 GPa
1427oC
ρ=2.73(4)g/cm3
3.2
1477oC
ρ=2.72(5)g/cm3
3
Density (g/cm )
3
2.8
1525oC
ρ=2.70(5)g/cm3
2.6
熱膨張率
2.4
2.2
1300
1575oC
ρ=2.69(5)g/cm3
1.1x10-4/K (@1700K)
1400
1500
1600
Temperature (oC)
1700
1800
1620oC
ρ=2.67(4)g/cm3
3.3
3.3
無水玄武岩マグマ
3.2
3.2
3
Density (g/cm3)
の圧縮曲線
過去の研究
(浮沈法によるデータ)
との比較
(Agee, 1998)
Agee (1998)
Compression curve
K=19.3
oC GPa
3.1
3.1 @ 1400
K'=4.4
3
3
2.9
2.9
2.8
2.8
K=26.5±1.0 GPa
K'=4
2.7
2.7
常圧の密度は、
Lange and Carmichael (1987)
から計算
2.6
2.6
0
1
2
5
3
4
Pressure (GPa)
6
7
3.5
3
圧縮曲線
Density (g/cm )
無水と含水玄武岩マグマの
無水と含水マグマの
密度差からマグマ中の
水の部分モル体積を計算
常圧の密度は、
Lange and Carmichael (1987)
Ochs and Lange (1999)
から計算
Dry MORB melt
K=25.5(8) GPa
3
2.5
2
Hydrous MORB melt
K=8.8(4) GPa
0
1
2
3
4
Pressure (GPa)
5
6
Fitting by using Birch-Murnaghan EoS (K’=4)
水の部分モル体積の圧縮曲線
K = 3.3(3) GPa
K’ = 3.0(2)
(fitting by the Vinet EoS)
様々な珪酸塩メルトの
含水条件下における密度の
計算が可能
30
Partial Molar Volume (cm3/mol)
@1400oC
25
20
15
10
5
0
1
2
3
Pressure (GPa)
4
5
Conclusion
・X線吸収法を用いて、無水・含水条件下において
玄武岩マグマの密度測定を行った。
・圧力条件1.0～4.6GPa、温度条件1400～1727℃で
玄武岩マグマの密度測定に成功した。
・水の部分モル体積を4GPaの圧力条件まで求め、
圧縮曲線を得ることができた。
水の部分モル体積の圧縮曲線
Partial Molar Volume (cm3/mol)
35
@2200oC
30
K=1.8(3) GPa
K'=6.4(3)
25
常圧の熱膨張率を基に
20
2200℃まで外挿し、
15
高圧のデータと組み合わせる
10
5
Sakamaki et al. 2006
0
5
10
15
Pressure (GPa)
20
25
（２） メルトの粘性係数とメルトの構造
伊豆大島三原山（安山岩質玄武岩熔岩）
低粘度
©白尾元理
雲仙普賢岳（デイサイト熔岩）
高粘度
谷口 (2001)
マグマの粘度の温度依存性（常圧）
Rhyolite obsidian from Newberry caldera
流紋岩マグマ
Andesite from Mount Hood 安山岩マグマ
Columbia River basalt 玄武岩マグマ
月高チタンマグマ
a, in air; b, in argon
(Murase and McBirney, 1970)
d
0
dP
d
0
dP
融体の構造に関係？
粘度
マグマ（珪酸塩融体）の粘度の圧力依存性
TO4四面体の
ネットワーク
T=Si4+, Al3+…
谷口 (2001)
SPring-8
スプリング８
Photon Factory
フォトン・ファクトリー
日本の二大放射光施設
高温高圧下での融体の粘性率測定
SPEED1500 大型マルチアンビルプレス@SPring-8 BL04B1
X線ラジオグラフィー
～落球法による粘性測定～
鈴木 (2005)
ストークスの法則を適用した粘性係数の測定
Viscosity of Albite melt to 7 GPa (Mori et al., 2000)
Viscosity of diopside melt up to 13 GPa (Reid et al., 2003)
Effect of pressure on viscosity of liquid Fe-alloys up to 16 GPa
H. Terasaki1, E. Ohtani1, A. Suzuki 1, K. Nishida1, T. Sakamaki1, K. Funakoshi2 (1Tohoku Univ,
2JASRI)
Al2O3 coating sphere
Falling sphere viscometry was
carried out under high pressure
and temperature up to 16 GPa
and 1800 K using high speed
CCD camera with 1500 ton
Kawai-type multi-anvil device at
BL04B1.
Al2O3
Pt sphere
Fig. Backscattered electron image of Al2O3
coated Pt sphere
Falling sphere profile
Starting compositions of Fe-alloy
were Fe78S22 which correspond
to near eutectic compositions at
the experimental pressures.
0.7
falling distance/mm
Viscosity marker sphere, which
was made of Re was coated by
alumina in order to prevent the
reaction between the sphere and
the Fe-alloy sample. Falling
sphere images were obtained
with recording rates of 50 – 125
frame/second.
Fig. Radiographic images of falling Re sphere in Fe-S liquid. Each
image recording interval is 1/125 second.
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.02
0.04
0.06
time/s
0.08
0.1
0.12
Fig. Falling profile
Data shown by red solid
circles were used to obtain
the falling velocity.
Viscosity of liquid Fe-S
Viscosity of liquid Fe-S (S =
22 at%) was measured up to
16.1 GPa and 1797 K.
Measured viscosity
coefficients were in the range
of ~ 10 mPa-s which indicates
that the activation volume of
Fe78S22 liquid (1.46 cm3/mol)
is close to that of Fe 60 S 40
liquid (~1.50 cm3/mol).
Consequently, viscosity of FeS liquid is likely to stay small
i n t h e p l a n e t i n t e r i o r.
DV(Fe60S40) = 1.50 cm3/mol
DV(Fe78S22) = 1.46 cm3/mol
Terasaki et al. (2006) GRL
33, 1029/2006GL027147
Fig. Viscosity coefficient of Fe-S liquids as a function of pressure.
Filled circles, and squares represent the results of this study (Fe78S22
liquid) and those of Terasaki et al. (2001) (Fe60S40 liquid), respectively.
Fe78S22 viscosity at ambient pressure reported by Vostryakov et al.
(1964) is also shown by open circle. Solid and dashed lines indicate
least square fittings for the data of Fe78S22 and Fe60S40 liquids,
respectively. (Terasaki et al. 2006)
d
0
dP
粘度
金属などの融体
圧力
Terasaki et al. (2006)
Figure .
(a) Density of basaltic magma as a function of pressure and temperature. (b) Density
change in basaltic magma as a function of pressure at 2000 K (c) Viscosity of basaltic
magma at high pressure and temperature.
Figure 2. (a) Representative interference functions, Qi(Q)s, of the basaltic
magma at various pressures. (b) Corresponding radial distribution functions,
G(r), obtained from (a).
Figure 3. Pressure
dependence of T-O bond
length of basaltic magma
from this study (solid
circles).
Figure 4.
(a) Density of basaltic magma along the 2000 K isotherm as a function of depth (and
pressure).
(b) Viscosity and mobility (Δρ/η) of basaltic magma along the 2000 K isotherm as a
function of depth (and pressure). The gray region highlights the depth range with
anomalous physical properties due to the structural modification.
まとめ
• 流体が地球内部の分化を促進する
• マグマの粘度はTO4四面体の連結度に依
存する
• 高圧下での粘度変化はマグマの構造変化
による