ポストペロブスカイト　（地球、マントル、地震波、地球大進化）

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地球マントル最深部D”層の謎に第一原理電子状態計算で迫る。
理化学研究所（歴史　拠点　成果　展示漫画）　　　飯高敏晃 www.iitaka.org
最先端放射光施設 SPring -8（概要）（放射光入門）理研スーパー・コンバインド・クラスタ
[English Version]

関連ニュース：
20101209 地球の奥深く、地下３千キロに未知の層　九大教授ら発見

要旨：
本研究では第一原理電子状態計算法を使って「MgSiO₃ポストペロブスカイト」中を伝わる地震波の速度を計算しました。その結果、「MgSiO3ポストペロブスカイト」の存在によりD”層における地震波速度の不連続性・異方性など種々の観測結果を矛盾無く説明し得ることが明らかになりました。これにより地球科学の最も重要な謎の一つに光が当てられました。本研究成果は、英国の科学雑誌『Nature』（７月２２日号）に掲載されます。【無料pdfファイルはこちら】

　廣瀬敬教授、第21回日本ＩＢＭ科学賞受賞

Post-Perovskite Phase Transition in MgSiO3, Science 304, 855 (2004).
The elasticity of the MgSiO3 post-perovskite phase in the lowermost mantle, Nature 430, 442-445 (2004).
ビデオ１(最後に発見の瞬間？が)[WMP] [REAL] 　　ビデオ２[REAL] (サイエンスチャネル)

要旨　背景　成果　展開　意義関連論文　参考文献地球科学関連図書　 EarthFrog

理研公式ホームページ　　　
「地球大進化」（NHK）　
Google (日本語　英語）
"What's down there?" by Kim Krieger
「知恵蔵」

post-perovskite ポストペロブスカイト

図１

出典サイト：http://www.edu.pe.ca/southernkings/compositionch.htm

背景：
地球の内部は、地殻の下から深さ 2,900kmまでがマントルでその下に核があります。マントルは上から順に、上部マントル、遷移層、下部マントル、D”層という層構造を持つことが地震波解析より知られています。下部マントルとD”層は「MgSiO3ペロブスカイト」と呼ばれる鉱物（図２ａ）であると考えられてきましたが、「MgSiO3ペロブスカイト」ではD”層での地震波速度の不連続性・異方性などの観測結果をうまく説明できず、D”層がどんな物質からできているのかはよくわかっていませんでした。

東工大の廣瀬助教授らは、地球最深部の温度圧力を実験室内に再現し超高温高圧下でＸ線結晶構造解析を行う技術を発展させ、理化学研究所播磨研究所にある最先端放射光施設SP-ring8で実験することにより、D”層が「MgSiO₃ポストペロブスカイト」という新発見の鉱物（図２ｂ）から成り立っているらしいことを明らかにしました[Science , 304, 855–858]。実験では「MgSiO₃ポストペロブスカイト」の結晶構造を明らかにしました。しかし、「MgSiO₃ポストペロブスカイト」の弾性テンソルの測定は現在の技術では不可能です。弾性テンソルとは鉱物を歪ませたときに生じる応力の大きさを表す比例定数（単位は圧力と同じ）で、鉱物の硬さを表し地震波速度を決める量です。

post-perovskite ポストペロブスカイト

図２

成果：

理化学研究所の飯高らはスーパーコンピュータを使った大規模第一原理電子状態計算により惑星内部相当高圧力下での物質の性質を研究してきました。そこで本研究では第一原理電子状態計算を使って「MgSiO₃ペロブスカイト」と「MgSiO₃ポストペロブスカイト」の弾性テンソルを計算しました。その結果、「MgSiO₃ポストペロブスカイト」の存在によりD”層における地震波速度の不連続性・異方性など種々の観測結果を矛盾無く説明できることが明らかになりました（表１）。例えば、垂直方向に揺れる横波の速さをV_SV、水平方向に揺れる横波の速さをV_SHとすると、「MgSiO₃ポストペロブスカイト」ではV_SH>V_SVとなって観測と一致しますが、「MgSiO₃ペロブスカイト」ではV_SV>V_SHとなって観測と矛盾してしまいます。
したがって今回の研究成果は、D"層が主に「MgSiO₃ポストペロブスカイト」から出来ていると考える重要な根拠を与えるものです。

表１：

	観測	ポストペロブスカイトの場合	ペロブスカイトの場合
D"層直上での地震波速度不連続性	～３％	４～７％	単純なモデルでは説明不可能
S波偏向異方性	１～３％	４％	－４％
バルク音速とS波速度の相関	逆相関	逆相関	単純なモデルでは説明不可能

展開：

これまでの地震波伝播、マントル対流などを扱う地球モデルでは「MgSiO3 ポストペロブスカイト」の存在が考慮されていません。今後、本研究成果を含め「MgSiO3ポストペロブスカイト」の効果を取り入れて、マントル深部の地震波構造モデルを再構築する必要があります。またこのようにマントル対流の境界層であるD”層の地震波構造モデルが精密化されることにより、マントル対流の実態、とくにマントルの底からの上昇流（ホットプルーム）の発生メカニズムが解明される大きな可能性があります。ホットプルームは地球深部の熱を地表へ輸送し大規模な火山活動をもたらすため、地球の環境変動にも大きな影響があります。現在活動しているハワイやアイスランドといったホットスポットと呼ばれる巨大火山もこのホットプルームによって形成されています。また過去には超大陸の分裂を引き起こしたり、大量のガスを放出して（メタンハイドレートの大融解）、気候変動の原因となり、生物種の大量絶滅(ビデオ)を引き起こしたりしました。このようにホットプルームがどのように発生するのかを理解することは、地球内部の活動が地表の環境変動をもたらすメカニズム(NHK, NIKKEI) （MediaPlayer QuickTime ; NHK）を理解する上で大変重要です。

意義：

本研究成果の意義は、実験では未だ測定不可能な地球マントル最深部の鉱物の弾性を第一原理計算により予測し、地震波の観測結果との関連を明らかにした点にあります。このことは今後の惑星内部の研究にはスーパーコンピュータを使った大規模第一原理計算による鉱物の高温高圧物性の研究が不可欠な手段になることを示しています。

リンク
Theory of the Earth
「スーパープルーム」
「地球科学一般」　（広島大学　地球資源論研究室）
「読み物」　（丸山茂徳先生）
「21世紀の新版・地底旅行（改訂）」　（入舩徹男先生）　下部マントル
CIDER Summer'04 Tutorial Program: "Post-Perovskite" by David Yuen "The Core Mantle Boundary" by Dan Shim
「地球の年齢の測り方」
「サイエンスオデッセイ　地球探求の旅（ビデオ）」（サイエンスチャンネル）
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地球儀

週刊"DUBNA: Science, Collaboration, Progress"　（ロシア語）
Dubna市新聞　"The peace square"(ロシア語)

INTERNATIONAL WORKSHOP ON THE POST-PEROVSKITE PHASE TRANSTION IN THE EARTH'S DEEP MANTLE
TIME: October 3 and 4, 2005 ( note this is a new and final date )
PLACE: TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, TOKYO, JAPAN
(Workshop Poster)

http://www.agu.org/contents/sc/ViewCollection.do?collectionCode=PEROV1