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論文

Pressure-induced elongation of hydrogen-oxygen bond in sodium silicate melts

大橋 智典*; 坂巻 竜也*; 舟越 賢一*; Steinle-Neumann, G.*; 服部 高典; Yuan, L.*; 鈴木 昭夫*

Journal of Mineralogical and Petrological Sciences (Internet), 120(1), p.240926a_1 - 240926a_13, 2025/06

https://doi.org/10.2465/jmps.240926a
 被引用回数：0 パーセンタイル：66.07(Mineralogy)

0-6GPa, 1000-1300Kのドライおよび含水Na$$_6$$Si$$_8$$O$$_{19}$$融体の構造と高温高圧から回収したガラスの構造をその場中性子回折及びX線回折により調べた。また、0-10GPa, 3000Kの融体の構造をab-initio分子動力学シミュレーションにより調べた。その場中性子実験から、-O-D-O-架橋種の形成によりD-O距離が圧縮とともに増加することが明らかになり、分子動力学シミュレーションでも再現された。圧力による-O-D-O-形成は、水素がより強固に取り込まれることを反映しており、実験的に観測されたケイ酸塩融体中の水の高い溶解度のメカニズムとして働く。一方、0-10GPa, 3000KにおけるドライNa$$_6$$Si$$_8$$O$$_{19}$$の圧縮は、Si-O-Si角の曲げに支配される。さらに、含水Na$$_6$$Si$$_8$$O$$_{19}$$融体の分子動力学シミュレーションから、圧力上昇とともに、2($$^{[4]}$$Si-O$$^-$$ + Na$$^+$$) $$rightarrow$$ $$^{[4]}$$Si-(O-$$^{[5]}$$Si-O)$$^{2-}$$ + 2Na$$^+$$およびSi-O$$^-$$ + Na$$^+$$ + Si-OH $$rightarrow$$ Si-(O-H-O-Si)$$^-$$ + Na$$^+$$で示される反応により、ナトリウムイオンがネットワーク修飾の役割を果たさなくなることを示唆している。

論文

High-pressure neutron diffraction study on $$varepsilon$$-FeOOH; The Spin-reorientation transition and hydrogen-bond symmetrization

池田 理*; 山本 孟*; 佐野 亜沙美; 坂巻 竜也*; 栗林 貴弘*; 野田 幸男*; 鈴木 昭夫*

Journal of the American Chemical Society, 147(5), p.4005 - 4016, 2025/02

https://doi.org/10.1021/jacs.4c11982

鉄オキシ水酸化物$$varepsilon$$-FeOOHの圧縮挙動は複雑であり、磁性特性と結合特性に変化が見られる。本研究では、20GPa超える圧力下で、$$varepsilon$$-FeOOHと$$varepsilon$$-FeOODのin situ粉末中性子回折実験を行い、スピン再配列転移、水素結合対称化、およびそれらの相関を調査した。磁気転移は、$$varepsilon$$-FeOOHと$$varepsilon$$-FeOODの両方で8GPaで観測された。$$varepsilon$$-FeOOHの結晶対称性と水素結合は、17.90GPaで非対称水素結合を持つP21nmから水素結合が不規則なPnnmへと変化したが、$$varepsilon$$-FeOODは非対称のままであった。原子間角度と距離の圧力変化から、Feの座標幾何学は水素結合の対称化に向かって変化し、磁気異方性に影響を与えたことが示唆される。

論文

Deuterium content and site occupancy in iron sulfide at high pressure and temperature determined using in situ neutron diffraction measurements

Abeykoon, S.*; Howard, C.*; Dominijanni, S.*; Eberhard, L.*; Kurnosov, A.*; Frost, D. J.*; Boffa Ballaran, T.*; 寺崎 英紀*; 坂巻 竜也*; 鈴木 昭夫*; et al.

Journal of Geophysical Research; Solid Earth, 128(9), p.e2023JB026710_1 - e2023JB026710_17, 2023/09

https://doi.org/10.1029/2023JB026710
 被引用回数：2 パーセンタイル：20.60(Geochemistry & Geophysics)

少量の硫化鉄鉱物は、地球のマントルから産出するほとんどの岩石や、天然のダイヤモンドに内包物として含まれている。水素は高温高圧下で硫化鉄鉱物に溶解している可能性があるが、地表の温度と圧力では失われている。本研究では、高温高圧下における硫化鉄中の重水素量を、11.4GPa, 1300Kまでの条件でJ-PARCのPLANETでの6軸型マルチアンビルプレスを用いたその場観察中性子回折実験により決定した。硫化鉄水素化物中の全重水素含有量は高温高圧下で増加することが明らかになった。この結果を用いて、大陸深部のリソスフェアマントル中の硫化鉄鉱物の水素含有量を見積もったところ、1700-2700ppmの範囲にあることがわかった。これはバルクマントル中の約2-3ppmの水素に相当する。

論文

Structure of basaltic glass at pressures up to 18 GPa

大橋 智典*; 坂巻 竜也*; 舟越 賢一*; 服部 高典; 久野 直樹*; 阿部 淳*; 鈴木 昭夫*

American Mineralogist, 107(3), p.325 - 335, 2022/03

https://doi.org/10.2138/am-2021-7742
 被引用回数：3 パーセンタイル：23.18(Geochemistry & Geophysics)

マグマの物性を知るために、室温で加圧されたバサルトガラスの構造をX線および中性子回折により約18GPaまで調べた。加圧によりバサルトガラスは圧縮挙動を変化させた。つまり約2-4GPaにおいて、平均酸素間距離(r$$_textrm{OO}$$)を保ったまま、酸素の平均配位数(CN$$_textrm{OO}$$)は上昇しはじめる。さらに加圧すると9GPaでCN$$_textrm{OO}$$の上昇はとまり、Al周りの酸素配位数(CN$$_textrm{AlO}$$)を上昇させながら、r$$_textrm{OO}$$が縮み始める。9GPaでの変化は ガラスの圧縮機構が、四面体ネットワークの変形から、CN$$_textrm{AlO}$$の増大を伴った酸素充填率の上昇に変わることで解釈できる。高圧下の酸素の充填率($$eta_textrm{O}$$)を解析すると、その値がデンスランダムパッキングの限界値を超えることが分かった。このことは、石英やケイ酸塩ガラスの構造相転移が酸素充填限界説では説明できないことを示している。2-4GPaに見られたCN$$_textrm{OO}$$の上昇は四配位ケイ酸塩ガラスのソフト化と対応しており、過去にLiu and Lin (2014)によって報告された約2GPaでのバサルトガラスの弾性異常の起源であるかもしれない。

論文

大気中でFeを高温酸化させた皮膜中へのD$$_{2}$$Oの拡散浸透挙動

春名 匠*; 山本 達也*; 宮入 洋志*; 柴田 俊夫*; 谷口 直樹; 坂巻 景子; 立川 博一*

材料と環境, 64(5), p.201 - 206, 2015/05

https://doi.org/10.3323/jcorr.64.201

オーバーパック候補材料である炭素鋼の酸素欠乏地下水中での腐食速度を推定するための基礎研究として、Feを高温酸化することで作製した酸化皮膜中のD$$_{2}$$Oの拡散係数を決定することを試みた。Fe板を大気中で573K, 723Kまたは873Kで高温酸化させて酸化皮膜を作製した。X線回折およびSEM観察による皮膜性状を確認した後、皮膜にD$$_{2}$$Oを接触させ、5184ksまでの種々の時間保持することでD$$_{2}$$Oを浸透させた。D$$_{2}$$Oを浸透させた試料に昇温脱離ガス分析試験を行い、皮膜中の浸透D$$_{2}$$O量を測定した。573Kおよび723Kで酸化させた試料にはFe$$_{3}$$O$$_{4}$$単層皮膜が、873Kで酸化させた試料にはFe$$_{3}$$O$$_{4}$$とFe$$_{2}$$O$$_{3}$$の二層皮膜が確認された。また、D$$_{2}$$O浸透量がD$$_{2}$$O浸透時間の平方根に対して直線関係を示すこと、ならびに長時間浸透させるとD$$_{2}$$O浸透量が定常値を示すことがわかった。Fickの第二法則に基づいて推定された各種酸化皮膜中のD$$_{2}$$Oの拡散係数は、Fe$$_{3}$$O$$_{4}$$皮膜では9.7$$times$$10$$^{-13}$$cm$$^{2.}$$s$$^{-1}$$、Fe$$_{2}$$O$$_{3}$$皮膜では5.5$$times$$10$$^{-13}$$cm$$^{2.}$$s$$^{-1}$$から2.2$$times$$10$$^{-12}$$cm$$^{2.}$$s$$^{-1}$$であった。

論文

Ponded melt at the boundary between the lithosphere and asthenosphere

坂巻 竜也*; 鈴木 昭夫*; 大谷 栄治*; 寺崎 英紀*; 浦川 啓*; 片山 芳則; 舟越 賢一*; Wang, Y.*; Hernlund, J. W.*; Ballmer, M. D.*

Nature Geoscience, 6(12), p.1041 - 1044, 2013/12

https://doi.org/10.1038/ngeo1982
 被引用回数：156 パーセンタイル：97.04(Geosciences, Multidisciplinary)

地球の硬いリソスフェアとその下の柔らかいアセノスフェアの境界は地震学的な不連続で特徴づけられている。地震波の速度の減少と吸収の増加は部分的な融解によるものと考えられている。我々は玄武岩マグマの密度、粘性と構造を高温高圧その場観察X線実験で、圧力5.5GPaまで測定した。マグマの密度は、加圧に伴い急激に増加するとともに、4GPaで粘性の極小を示すことが明らかになった。液体と固体の密度の差と、マグマの粘性で決まるマグマの易動度は、アセノスフェア中の深さ120-150kmに対応する圧力でピークを持つ。アセノスフェアを上昇するマグマの易動度が減少することは、80-100kmのリソスフェアとアセノスフェアの境界に融体が溜まることを示唆する。リソスフェアとアセノスフェアの協会での地震学的な不連続はこのマグマの滞留と関係があることが結論された。

論文

Density measurement of liquid FeS at high pressures using synchrotron X-ray absorption

西田 圭佑*; 大谷 栄治*; 浦川 啓*; 鈴木 昭夫*; 坂巻 竜也*; 寺崎 英紀*; 片山 芳則

American Mineralogist, 96(5-6), p.864 - 868, 2011/05

https://doi.org/10.2138/am.2011.3616
 被引用回数：34 パーセンタイル：66.85(Geochemistry & Geophysics)

X線吸収法を用いて液体硫化鉄(FeS)の密度が圧力3.8GPa,温度1800Kまで測定された。液体FeSの圧縮曲線はVinetの状態方程式を使うことでフィットすることが可能であった。非線形最小二乗法を用いることによって、等温体積圧縮率とその圧力微分が決定された。液体FeSは鉄が多いFe-S液体よりも圧縮されやすかった。

論文

Density of carbonated peridotite magma at high pressure using an X-ray absorption method

坂巻 竜也*; 大谷 栄治*; 浦川 啓*; 寺崎 英紀*; 片山 芳則

American Mineralogist, 96(4), p.553 - 557, 2011/04

https://doi.org/10.2138/am.2011.3577
 被引用回数：33 パーセンタイル：65.90(Geochemistry & Geophysics)

X線吸収法によって炭酸塩ペリドタイトマグマの密度が3.8GPa, 2100Kまで測定された。炭酸塩ペリドタイトマグマの体積弾性率は含水ペリドタイトマグマのそれよりも大きい。高温高圧条件下のマグマのCO$$_{2}$$の部分モル体積が計算された。われわれの結果は、CO$$_{2}$$の部分モル体積はH$$_{2}$$Oのそれよりも圧縮されにくいことを示している。すなわち、同じモル数であれば、H$$_{2}$$Oに比べCO$$_{2}$$のほうがより効果的にペリドタイトマグマの密度を高圧下で下げることを示唆している。

論文

Density of high-Ti basalt magma at high pressure and origin of heterogeneities in the lunar mantle

坂巻 竜也*; 大谷 栄治*; 浦川 啓*; 鈴木 昭夫*; 片山 芳則; Zhao, D.*

Earth and Planetary Science Letters, 299(3-4), p.285 - 289, 2010/11

https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.09.007
 被引用回数：31 パーセンタイル：59.28(Geochemistry & Geophysics)

月の海のガラスの中で最もTiO$$_{2}$$に富んでいるApollo 14 balck glassの組成の融体の密度を4.8GPa, 2100KまでX線吸収法を用いて測定した。圧力-密度-温度のデータを高温Birch-Murnaghan状態方程式でフィットすることによって、等温体積弾性率,その圧力微分,体積弾性率の温度微分を求めた。この結果が月のマントルの不均一性に対して持つ意味を議論した。

論文

Density of dry peridotite magma at high pressure using an X-ray absorption method

坂巻 竜也*; 大谷 栄治*; 浦川 啓*; 鈴木 昭夫*; 片山 芳則

American Mineralogist, 95(1), p.144 - 147, 2010/01

https://doi.org/10.2138/am.2010.3143
 被引用回数：39 パーセンタイル：70.75(Geochemistry & Geophysics)

X線吸収法を用いて、ペリドタイトマグマの密度を2.5GPa, 2300Kまで測定した。この方法によって、ペリドタイト融体の密度を7つの異なった条件で測定することができ、密度の温度圧力依存性が明らかになった。圧力-密度-温度のデータを高温Birch-Murnagan状態方程式にフィットすることによって、2100Kでの等温体積弾性率$$K_{T0}=24.0pm1.3$$GPa,その圧力微分,$$K'_{0}=7.3pm 0.8$$,体積弾性率の温度微分$$(delta K_{T}/delta T)_{P}=-0.0027pm0.0017$$GPa/Kが得られた。玄武岩融体に比べ、ペリドタイト融体が大きな体積弾性率とその圧力微分を持つことは、これまでの浮沈法による実験結果と調和的である。

論文

Measurement of hydrous peridotite magma density at high pressure using the X-ray absorption method

坂巻 竜也*; 大谷 栄治*; 浦川 啓*; 鈴木 昭夫*; 片山 芳則

Earth and Planetary Science Letters, 287(3-4), p.293 - 297, 2009/10

https://doi.org/10.1016/j.epsl.2009.07.030
 被引用回数：63 パーセンタイル：79.35(Geochemistry & Geophysics)

5重量%の水を含んだ含水ペリドタイトマグマの密度を圧力,温度、それぞれ4.3GPa及び2073Kまで、X線吸収法によって測定した。圧力-密度-温度のデータを高温Birch-Murnagan状態方程式にフィットしたところ、1773Kでの等温体積弾性率$$K_{T}=8.8pm1.9$$GPa、その圧力微分$$K'=9.9pm3.6$$体積弾性率の温度微分$$(delta K_{T}/delta T)_{P}=-0.0022pm0.0015$$GPa/Kが得られた。水を含まないペリドタイトマグマに比べて含水ペリドタイトマグマの体積弾性率が小さいことは、ケイ酸塩融体よりも圧縮されやすい水の効果を反映している。

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