その場観察実験と計算機モデリングによる含水ケイ酸塩メルトの構造と圧力効果の解明

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水はマグマに含まれる主要な成分であり、マグマの密度や粘性などの物性は含水量や圧力条件に強く依存することが知られている。これらの物性は、マグマすなわち含水珪酸塩メルトの化学組成や地球内部の深さ（圧力）によって大きく変化し、メルトの構造変化と強く関係していると考えられている。本研究では、シンプルな化学組成の含水ケイ酸塩メルトであるNa2O-SiO2-H2O系メルトについてのX線および中性子を使った高圧実験と、計算機を使ったモデル解析を行うことによってメルト構造の詳細を明らかにし、マグマの物性変化における含水量と圧力の影響を解明することが目的である。2022年度では、9-12wt%の水を含んだNa2O-8/3SiO2-H2Oメルトについての7 GPaまでの高圧下におけるX線および中性子実験を行った。実験で得られた含水Na2O-8/3SiO2メルトについてのX線構造因子および中性子構造因子に対して、第一原理分子動力学計算を使ったモデル解析を行った結果、メルト構造の基本単位を形成するSiO4四面体におけるSi-O結合距離が加圧とともにわずかに伸びていることが分かった。一方、水を含まないドライのNa2O-8/3SiO2メルトにおけるSi-O結合距離は高圧下でも一定であった。このことから、含水Na2O-8/3SiO2メルトとドライのNa2O-8/3SiO2メルトでは圧力に対して異なるメカニズムで圧縮されていることが示唆される。また、含水Na2O-8/3SiO2メルト中のOH基の数は圧力とともに減少することが分かった。これらの結果から、含水Na2O-8/3SiO2メルトではOH基の再結合によるネットワークの重合化が起こっていることが示唆される。