地球深部における水/水素の循環メカニズムに新たな知見：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結晶構造物性を解明

【ポイント】

地球深部における水/水素の貯蔵庫の一つと期待される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拡張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換することで生じる陽イオン間斥力の緩和効果が大きく影響していることを明らかにしました。
沈み込む海洋プレート（スラブ）によって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アルミニウムを含有した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。

【概要説明】

　熊本大学大学院先端科学研究部の吉朝朗教授は、山口大学大学院創成科学研究科の中塚晃彦准教授、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^※1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^※2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。

【用語解説】

※1．下部マントル

マントルのうち、深さ660 kmの地点から深さ2900 kmに相当する核の直上までの領域のこと。地球全体の体積の約6割を占める。その化学組成については上部マントルと同様にパイロライト（※3で説明）であるとする説と、よりシリカ（SiO₂）成分に富んだ組成をもつ物質（ペロブスカイタイト）であるとする説がある。

※2．ブリッジマナイト

下部マントルにおける主要構成鉱物の1つ。地球の約6割を占める下部マントルの約80％はこの鉱物で構成されていると推定されることから、地球で最も存在度の高い鉱物相であると考えられている。下部マントルにおける実際のブリッジマナイトは若干のFe₂O₃/FeO成分とAl₂O₃成分を含みうるが、第一近似的にはその組成式をMgSiO₃と表すことができる。その化学組成から以前はMg-ペロブスカイトと呼ばれていたが、最近隕石中で発見されたことから、2014年に国際鉱物学連合により ?ブリッジマナイト（bridgmanite）? という鉱物名が承認された。この鉱物名は、高圧物理学の礎を築いたパーシー?ブリッジマンにちなむ。その結晶構造は、GdFeO₃型構造すなわち空間群Pbnm（直方晶）のペロブスカイト型構造をとる。近年、ブリッジマナイトは125 GPa?2500 Kでポストペロブスカイトと呼ばれるCaIrO₃型構造（直方晶；空間群Cmcm）へ相転移することがわかった。この相転移が、長年未解決であった下部マントル最下部にあるD”層（深さ約2700～2900 km）で観測される地震波速度不連続の原因であると考えられている。

【論文情報】

論文名：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
掲載誌：Scientific Reports
doi：https://doi.org/10.1038/s41598-022-07007-8

【詳細】

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