Presentation Information
[T3-P-10]High-pressure and high-temperature grain growth experiments using synthetic aggregates of ultrafine-grained quartz
*Omi KONO1, Keigo YAMADA1, Ukyo KANAZAWA1, Takaya NAGAI1, Kazma NAKAKOJI2, Ichiko SHIMIZU1 (1. Kyoto University , 2. The University of Tokyo)
Keywords:
quartz,grain growth,high-pressure and high-temperature experiment,spark plasma sintering (SPS)
地殻の主要鉱物である石英の組織は、過去の変成履歴や変形過程についての情報を記録していると考えられている。石英の組織を定量的に理解するために、高温高圧下の粒成長実験も行われてきたが、天然の石英砂や石英岩を出発物質とした場合、第2相や間隙率など様々な要因に影響される。本研究では、不純物が少なく、均質・等方的で、結晶粒径や間隙率が制御された石英試料を作成することを目的に、放電プラズマ焼結 (SPS) 法により人工石英多結晶体を合成した。さらに合成された試料をもちいて、高温高圧下での粒成長実験を行った。
多結晶体合成の出発物質として平均粒径 0.8 μm の高純度石英粉末を用い、圧力 50–80 MPa、最高温度 1300–1675℃、保持時間 0–180 分の条件下で、SPS法により試料を作成した。最高温度 1300–1500℃ の焼結で得られた試料は白色〜灰色を呈しており、走査型電子顕微鏡観察から、石英粉末が約 1 µm の細粒組織を保って緻密化していることが確認できた。XRD分析では 1400℃ 以上の焼結試料で β-クリストバライトのピークが見られ、また一部の試料では α-クリストバライトのピークも検出された。ラマン分光分析では、1500℃ 以上で作成された試料はガラス化が進行していることが確認され、特に最高焼結温度 1675℃ の試料は透明化していた。大気圧下では 870℃ 以上でトリディマイトが安定となるが、いずれの試料でもトリディマイトのピークは確認されず、クリストバライトのピークが転移温度 (約1470℃) よりも低い焼結温度で現れた。トリディマイトへの相転移は石英中に微量に含まれる陽イオンが促進することが知られているが (Zhi et al., 2025, Ceramics International, 51, 30761-30771) 、出発物質が不純物イオンをほとんど含まない高純度の SiO2 であったため、クリストバライトが準安定相として生成されたと考えられる。焼結体乾燥重量とみかけ体積から石英・クリストバライトの密度を用いて換算した間隙率は 8.4-37.2% であり、焼結温度が高いほど、また保持時間が長いほど、間隙率が小さくなる傾向が見られた。
粒成長実験は、最高焼結温度が 1400℃ または 1450℃ で、クリストバライトの割合が低く、間隙率が 10% 程度の試料を出発物質として、ピストンシリンダー型高圧発生装置により行った。H2O を 0–3 wt% 加え、銀ジャケットで覆い、h-BN 圧媒体を用いた静水圧条件で、1.5 GPa、900–1000℃ のもとで 6-96 時間かけて試料を保持した。一部の実験では、銀ジャケット内に焼結試料に加えて平均粒径 0.8 µm 高純度石英粉末も封入し、両方の粒成長の結果を観察した。H2O を加えた実験で得られた多くの試料はポリゴナル組織を呈しており、保持時間が長いほど粒径は大きく、96時間の実験では焼結試料内に最大約 100 μm に達する著しい粒成長が見られた。また、水を加えなかった dry 条件下では、試料周縁部を除き有意な粒成長は見られなかった。この結果は、加えた H2O は高温高圧条件下で試料全体に浸透し、粒成長を促進したことを示唆している。発表では、人工石英多結晶体を粒成長実験に用いた本研究の結果と、天然石英岩や天然石英砂を用いた先行研究 (Fukuda et al., 2019, Solid Earth, 10, 621-636) の結果について比較して、粒成長パラメータの違いを検討する。
多結晶体合成の出発物質として平均粒径 0.8 μm の高純度石英粉末を用い、圧力 50–80 MPa、最高温度 1300–1675℃、保持時間 0–180 分の条件下で、SPS法により試料を作成した。最高温度 1300–1500℃ の焼結で得られた試料は白色〜灰色を呈しており、走査型電子顕微鏡観察から、石英粉末が約 1 µm の細粒組織を保って緻密化していることが確認できた。XRD分析では 1400℃ 以上の焼結試料で β-クリストバライトのピークが見られ、また一部の試料では α-クリストバライトのピークも検出された。ラマン分光分析では、1500℃ 以上で作成された試料はガラス化が進行していることが確認され、特に最高焼結温度 1675℃ の試料は透明化していた。大気圧下では 870℃ 以上でトリディマイトが安定となるが、いずれの試料でもトリディマイトのピークは確認されず、クリストバライトのピークが転移温度 (約1470℃) よりも低い焼結温度で現れた。トリディマイトへの相転移は石英中に微量に含まれる陽イオンが促進することが知られているが (Zhi et al., 2025, Ceramics International, 51, 30761-30771) 、出発物質が不純物イオンをほとんど含まない高純度の SiO2 であったため、クリストバライトが準安定相として生成されたと考えられる。焼結体乾燥重量とみかけ体積から石英・クリストバライトの密度を用いて換算した間隙率は 8.4-37.2% であり、焼結温度が高いほど、また保持時間が長いほど、間隙率が小さくなる傾向が見られた。
粒成長実験は、最高焼結温度が 1400℃ または 1450℃ で、クリストバライトの割合が低く、間隙率が 10% 程度の試料を出発物質として、ピストンシリンダー型高圧発生装置により行った。H2O を 0–3 wt% 加え、銀ジャケットで覆い、h-BN 圧媒体を用いた静水圧条件で、1.5 GPa、900–1000℃ のもとで 6-96 時間かけて試料を保持した。一部の実験では、銀ジャケット内に焼結試料に加えて平均粒径 0.8 µm 高純度石英粉末も封入し、両方の粒成長の結果を観察した。H2O を加えた実験で得られた多くの試料はポリゴナル組織を呈しており、保持時間が長いほど粒径は大きく、96時間の実験では焼結試料内に最大約 100 μm に達する著しい粒成長が見られた。また、水を加えなかった dry 条件下では、試料周縁部を除き有意な粒成長は見られなかった。この結果は、加えた H2O は高温高圧条件下で試料全体に浸透し、粒成長を促進したことを示唆している。発表では、人工石英多結晶体を粒成長実験に用いた本研究の結果と、天然石英岩や天然石英砂を用いた先行研究 (Fukuda et al., 2019, Solid Earth, 10, 621-636) の結果について比較して、粒成長パラメータの違いを検討する。
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