Ｘ線その場観察によるマントル鉱物の相境界への水の影響と
沈み込むスラブのダイナミクス
大谷栄治、K.Litasov、佐野亜沙美（東北大理）、舟越賢一（JASRI）
In situ X-ray diffraction study on the effect of water on the phase
transitions in the mantle and its implications for the slab dyanamics
E. Ohtani*, K.D. Litasov, A. Sano (Tohoku Univ.) and K. Funakoshi(JASRI)
We have conducted in situ X-ray diffraction study for determination of the phase boundary of hydrous peridotite and basalt compositions. The slope of the decomposition boundary of ringwoodite under the dry condition is very small around -0.4~-1.3 MPa/K, whereas that for the hydrous peridotite becomes about –2 MPa/K. The garnet-perovskite transformation boundary in hydrous basalt is by about 1.5 GPa lower than that in dry basalt. Thus, there are no density crossover between hydrous peridotite and basalt components in the slabs. Thus, the basaltic layer can easily penetrate into the lower mantle under the wet conditions.
１．はじめに マントル遷移層と下部マントルにおける 相転移はスラブの密度に影響し、周囲との密 度差を引き起こし、スラブの沈み込みのダイ ナミクスに直接影響する。したがって、マン トルで生じる相転移境界を高温高圧Ｘ線回 折によって明らかにすることはスラブの沈 み込みのダイナミクスを解明するために不 可欠である。 本研究において我々は、放射光を用いた高 温高圧Ｘ線その場観察実験にもとづいて、無 水および含水の条件において、カンラン岩組 成および玄武岩組成について、相転移境界を 定量的に明らかにした。 高温高圧Ｘ線その場観察実験は、高輝度光 科学研究センターの SPring-8 施設に設置さ れている高圧装置 SPEED1500 を用いて実 験をおこなった。無水の実験にはグラファイ トカプセルを使用し、含水の実験には銀パラ ジウム合金のカプセルを使用した。圧力は、 金(Anderson, 1989)の状態方程式にもとづ いて、高温高圧での格子体積を測定すること により測定した。 ２、無水および含水条件におけるカンラン岩 のRingwoodite の分解の相転移境界 金の状態方程式に基づくと、相境界の勾配 は（-0.4~-1.3MPa/K 程度で）試料急冷法な どで決定された値（-２∼-3MPa/K）に比べ て小さい。この結果は、Katsura et al. (2004) 及びFei (2004)の結果とよい一致を示す。 含水（２wt.% water）条件においては、相 境界の傾きは大きく-２MPa/Ｋ程度となる。 高温では無水と含水の条件での相境界は、ほ ぼ一致する。 ３、玄武岩における柘榴石―ペロブスカイト 転移境界 含水水条件（10wt.% water）では、玄武岩 組成における柘榴石―ペロブスカイト転移 境界 P(GPa)=0.0037T(oC) +17.53 で表すこ とができる。これは無水の条件に比べて約 1.5GPa ほど低圧である。このような相転移 境界の移動の原因は不明であるが、無水と含 水のペロブスカイトの鉄アルミニウムの量 がことなることから、酸素分圧の変化にとも なう柘榴石やペロブスカイトの組成変化に 原因がある可能性がある。 ４、相境界とスラブのダイナミクス 無水と含水条件での相境界の変化は、スラ ブの沈み込みのダイナミクスに大きな影響 を与える。含水条件では、スラブのカンラン 岩層と玄武岩層の間に密度逆転は存在しな い。したがって、スラブは、玄武岩層やカン ラン岩層が分離することなく下部マントル に沈降する。一方、無水条件では、柘榴石― ペロブスカイト転移境界が高圧側に移動し、 さらに低温で遅い相転移速度（Kubo et al., 2002）のためにペロブスカイトへの転移がさ らに高圧側で生じる。したがって、無水条件 では、玄武岩層とカンラン岩層に大きな密度 逆転域が生じ、スラブの沈み込みを阻害し、 玄武岩層をマントル遷移層に分離蓄積させ る可能性がある。 参考文献
Litasov et al. 2005, EPSL in press;
Litasov et al., 2005, GRL 32,L13312, doi:10.1029/2005GL022921
