大型放射光施設 SPring-8

公開日

2014年03月27日

2014年3月27日
岡山大学
兵庫県立大学
独立行政法人理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター

研究成果のポイント
• 地球マントル最深部のD”層を構成するMgSiO₃ポストペロブスカイトのアナログ物質Cmcm-CaIrO₃の結晶弾性を測定した。
• D”層直上にあるMgSiO₃ペロブスカイトのアナログ物質であるPbnm-CaIrO₃の結晶弾性も測定した。
• ポストペロブスカイト構造の弾性的特徴から、D”層におけるS波地震波速度異常の地域性をポストペロブスカイトの選択配向により合理的に説明した。

背景
　地球の内部構造は地震波を使って調べられています。図1は地球内部構造を概略で示したものです。外核と下部マントルの境界面の直上にD”層と呼ばれる薄い層（厚さ～200ｋｍ）があります。この層は上下の層と比較して、地震波速度の地域性や異方性（波の伝搬方向や振動方向によって地震波速度が異なること）が大きく、謎の層として関心がもたれていました。
　2004年に東京工業大学と理研の共同研究により、D”層上面の地震波速度不連続面が下部マントルの主要鉱物であるMgSiO₃ペロブスカイトがMgSiO₃ポストペロブスカイトに相転移する境界面であることが突き止められました。同成果は固体地球科学における21世紀最大の成果と言えるものです。しかしながら、MgSiO₃ポストペロブスカイトの結晶弾性のデータが皆無であるため、地震波で検出されているD”層の地域性や異方性を解釈することは不可能でした。
　MgSiO₃ポストペロブスカイトは常温常圧では分解してしまうため、同じ結晶構造を持つCmcm-CaIrO₃の結晶弾性の測定を試みました。同時に同じ組成でペロブスカイト構造をもつPbnm-CaIrO₃の測定も実施しました。Cmcm-CaIrO₃とPbnm-CaIrO₃の単結晶合成については、地球研に蓄積されている単結晶合成のノウハウを応用しました。図2が今回合成した単結晶の写真です。

研究手段と成果
　鉱物物理学分野において微小結晶の弾性はブリリュアン散乱法というレーザー光を使う方法で測られてきました。今回の試料はともに黒色不透明であるため、ブリリュアン散乱法は適用できません。そこで不透明試料でも測定可能な非弾性X線散乱法を用いることにしました。ブリリュアン散乱法も非弾性X線散乱法もフォノン（試料内の格子振動の音子）とフォトン（光子）の相互作用を測定する点では同じですが、使うフォトンのエネルギーが異なります。
　 　SPring-8のBL35XU（図3）では12個の散乱光受光素子が並列に設置されており、一回の測定で12個のデータが能率的に取得できるようになっています。20μm程度の微小単結晶試料でも測定できる世界最高水準の装置です。
　入射X線に対し試料の方向を変えた測定を何回か実施し百個程度のデータを取得しました。このデータに対し最小二乗法により結晶弾性を決定しました。図4は得られた結晶弾性から計算した弾性波速度の方位分布をステレオ図で示したものです。
　図5はCmcm-CaIrO₃のa-b、b-c、c-a平面内の音速変化を示したものです。a-b平面とc-a平面内での二つのS波速度の大小関係が全く異なるのが見てとれます。この特徴の違いから、地震波で検出されたD”層の地域性をMgSiO₃ペロブスカイトの選択配向の様式の違いで説明することができました（図6）。

今後への期待
　非弾性X線散乱法により不透明試料の結晶弾性が精度よく決定できることが確認できたため、今後はブリリュアン散乱法では不可能な金属試料の結晶弾性測定も実施していきます。地球の核は金属鉄でできているので、金属試料の測定は固体地球科学においても重要です。
　一方、今回の測定はあくまでMgSiO₃ペロブスカイト結晶と同じ構造を持つ結晶での測定であります。真の目標は、D”層の温度圧力条件下（～3000 K,～120 GPa）でのMgSiO₃ペロブスカイト結晶弾性そのものをその場測定することです。大変困難な課題ですが、高圧地球科学コミュニティにおける主要課題の一つとして取り組んでいきます。

《参考図》

《用語解説》
※1　大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転管理は高輝度光科学研究センターが行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。