超高圧実験による地球内部探査
岡山大学地球物質科学研究センター
1.

伊藤英司

地震学的地球内部像
ギリシャ時代から地球がその名の様に球であることは知られていました。しかしその内部状態は20世紀になって、そこを通ってくる地震の波を観測することによって当たりがつけられました。第１図の上は地球内部の平均的な地震は速度(縦波Vp、横波Vs)と密度（ρ）の深さ分布で深さ2900kmを境に上方の岩石からなるマントルと下方の鉄合金からなる中心核に大別されます。マントルは深さ410km、660km付近の速度の不連続的増大で特徴づけられます。この660km不連続の上方を上部マントル下方を下部マントルと呼びます。中心核は主に溶融体ですが中心から半径1200kmは固体で内核と呼びます。下は大きなタイムスケールで起こると考えられる地球内部物質移動のイメージです。最近では地震波を使ったトモグラフィーによって地
1D seismic models of theEarth’ Interior.

球内部のこのような物質移VP: Longitudinal wave
velocity、VS: Transversewave velocity

動にともなう 3 次元的構造

ρ：Densityが示されています。マントルと中心核の境界の圧力は136GPa 、 地 球 の 中 心 で は360GPa で す 。 温 度 は 数

Images of the Earth’s Interior

1000℃におよぶ超高圧高温の世界が広がってます。地震学的情報から構成物質と状態の推定を行うための高圧高温実験が 20 世紀後半から第１図

地球内部の地震学モデル活発に行われてきました。

2．高圧発生装置
高圧発生の原理は大きな力を小面積に集中させることで、硬い材料が必要です。高圧装置の試料部を直接圧す部材（アンビル）にはタングステンカーバイド(WC)、焼結ダイヤモンド(SD)、単結晶ダイヤモンドを用います。現在高圧地球科学で主に使われている装置は，我々が使っている川井式装置（第2図）と二個の単結晶ダイヤモンドを対向させたダイアモンドアンビルセル(DAC)です。川井式では8の立方体アンビルが中心に置かれた正八面体の圧力媒体を圧縮します。SDを用いて現在63GPa（深さ1500km）までの圧力が発生できます。地球内部を再現するために圧力媒体の中には小さなヒーターを置いて同時に試料を加熱します。2500 °C程度までの高温発生が可能です。数100GPaが発生できるDACには圧力では負けても、数桁大きい試料を使ってより定量的な実験が出来るのが強みです。
3.

マントル物質の高圧相転移

第1図下方の様子からもマントルのThe Kawai cell
（川井セル）

化学組成が一様であると考えにくいが、深さ150km付近から由来する岩8 cubic anvils + octahedral
pressure medium

石がほとんど橄欖岩（ペリドタイト）でLarge volume sample is
kept in quasi-hydrostaticstate due to compression
from multi-directions.

あることからこの物質がマントルを代表するとみなされています。主成分はSiO2, MgO, FeOで（Mg+Fe）/Si〜1.8､Mg/Fe〜０．１という特徴を持ち、これにそれぞれ４％、３％程度のAl2O3とCaOが随伴します。鉱物で第2図 川井セル

見るとかんらん石(オリビン）(Mg0.9Fe0.1)2SiO4 57%、斜方輝石 （Mg,Fe）SiO3 17%、単斜輝石 (Ca,Mg,Fe)2Si2O6 12%およびざくろ石 (Mg,FeCa)3(Al,Cr)3Si3O12 １２%でオリビンが主体です。ここではこの鉱物の高圧相平衡関係を中心にしてマントルの構成を概観することします。第3図はオリビン固溶体（α相）の相転移の様子を示し、マントルオリビンは圧力の上昇（深さの増大）にともなってα→β→γの順に相転移することが示されています。γ相はスピネル型構造をβ相もこれに類似の構造をとる
Mg2SiO4-Fe２SiO4系のオリビンー変形
スピネルースピネル相平構図。α：オリビン、β：変形スピネル、γ：スピネル。
α- β- γ transformation in thesystem Mg2SiO4-Fe２SiO4.
410 km不連続はオリビン(Mg0.9Fe0.1)2SiO4の変形スピネルへの転移に起因する。
The 410 km discontinuity would be
responsible to the α- βtransformation of(Mg0.9Fe0.1)2SiO4.

ので変形スピネルと名づけられ、それぞれα相に比べると11%,8%高密度です。これらの相はダイヤモンドのように準安定相として一気圧のもとに回収できるので、詳しく調べることが出来るわけです。この相図から第1図で示された深さ410km 不連続はオリビンのβ相への転移に起因すると考えられています。β相は520km 付近でγ相に転移します。一方輝石類は170km付近からざくろ石に固溶し始め600km では消滅して MSiO3 成分にと第3図

オリビン−スピネル転移

んだざくろ石（Maj）が大量に生成され、マントルの深さ 410-660km（遷移層と呼ばれている）の主要構成鉱物はβ相もしくはγ相および Maj となります。
第４図にはさらに高圧下ではγ相はどのように相転移するのか（ポストスピネル転移）が移示されています。図の中でPv
Pseudobinary diagram for the
post-spinel transformation in
the system Mg2SiO4-Fe２SiO4.
Sp: (Mg,Fe)2SiO4 spinel, Pv:(Mg,Fe)SiO3 perovskite、Mw:(Mg,Fe)O ferropericlase、St:
SiO2 stishovite.
The 660 km discontinuity would
be responsible for thedissociation of Sp to Ｐv+Ｍw
completing within a very
narrow pressure interval.

は（Mg,Fe)SiO3組成を持つ斜方晶ペロフスカイト、Mwは(Mg,Fe)Oで表される岩塩型酸化物、Stはルチル型構造を持つSiO2（スティショバイト）で構造の中でのSiの最近接Oの数(配位数）4がPv,Stいずれす。なお、α、β、γ相いずれもにおいても6に増大しています。Pv(Mg1-xFex)SiO3においてFeの最大固溶量は1100℃
でx=0.08、1600℃でx=0.11な
第4図

高圧化でのγ相の相転移（ポストスピネル転移）

ので、(Mg1-yFey)2SiO4のポストスピネル相はそれぞれｙ≤0.25、ｙ≤0.34の組成域まではPvとそれより大きなFe/Mg比をもつMwの2相集合体で、Fe成 分 が 増 え る と St が 加 わ り 、 さ ら に Fe が 増 す と Pv が 消 失 し ま す 。 第 4 図 に よ れ ば(Mg0.9Fe0.1)2SiO4組成のγ→Pv + Mw分解圧力が1600℃において実験誤差の範囲内で660km不連続における圧力23.4GPaに一致しています。これに伴う密度、 Vp,Vsの増加はそれぞれ11%、7%、12%（いずれも常温，１気圧のもと）と顕著であり、Majの動静にかかわらずこの分解が660km不連続の要因であることは動かしがたいと考えられています。これに関連して第4図が示している重要な点が二つあります。一つは二つの図から解るように分解圧力温度とともに減少している点で、この深さを通過する物質移動（プレートなど）に対してブレーキの役割を果たします。もう一つは(Mg0.9Fe0.1)2SiO4における圧力幅が1600℃において0.14GPa(深さ幅にして5km)以下と大変狭くこの不連続から生じる反射波がしばしば観測されることと調和的です。この相図からこの深さの平均的温度が約1600℃であることも読み取れます。
一方、（Mg,Fe)SiO3Pvが安定化される圧力になるとMajからこの相の離溶が始まり、圧力の増大とともにPvの量は増大してその組成はAl2O3 成分に富んできます。そして、ポス
トスピネル分解によってすでに存在していたAl2O3を含まないPvと合わせてペリドタイトに含まれていた全てのAl2O3を収容するとMajが消失します。この過程での圧力幅は2.7GPa(深さ幅60km)で660km不連続は鋭いポストスピネル分解に緩やかなMaj→Pvの 後追いで特徴づけられることになります。

こ う し て 、 下 部 マ ン ト ル の 主 な 構 成 物 質 は (Mg0.94Fe0,06)(Si,Al)O3 の 組 成 の Pv と(Mg0.8Fe0.2)O程度のMwとの集合体であり、それぞれ78%,18%の体積を占めていると推定されます。これらの相が収容能力をもたないCaはCaSiO3組成のPvとして独立な相を形成するが、その量は数%以下です。
4. おわりに以上地球マントルの構成について述べましたが、最初の仮定ドタイトで代表されるマントルの全組成はペリがほんとに正しいのか、この点に関連して、最近の超高圧実験から示唆される初期地球におけるマントルの分化についてお話したいと思います。
また、SPring-8において放射光を用いた実験についてもご紹介するつもりです。