Presentation Information
[S3-03]Post-perovskite phase transition and changes in lattice-preferred orientation
*Tomoaki KUBO1, Katsuki Hayahi1, Koyumi Yamashita1, Atsuro Okamoto1, Rikuto Honda1, Goto Yuta1, Tsujino Noriyoshi2, Higo Yuji2, Yuki Shibazaki3, Nobuyoshi Miyajima4 (1. Kyushu Univ., 2. JASRI, 3. KEK PF, 4. BGI)
Keywords:
Post-perovskite phase transition,LPO,synchrotron radiation,nucleation and growth
下部マントル最下部のD″層で観測される強い地震波異方性は、マントル流により誘起されるブリッジマナイト（ペロブスカイト相、pv）およびポストペロブスカイト相（ppv）の格子選択配向（LPO）に起因すると考えられている。これまでの研究では、高過剰圧下において、pvとppvの間にマルテンサイト的な粒内ラメラをともなうトポタキシーが観察され、相転移の際にLPOが継承される可能性が提案されている[1]。しかし、D″層領域では相転移は平衡境界付近で起こると考えられ、その詳細なメカニズムは依然として不明である。本研究では、アナログ物質であるNaNiF3を用いて、(1) 静水圧下でのpv-ppv転移、(2) 一軸応力下でのpv-ppv転移、(3) ppv相の塑性変形、の3種類の実験を行い、高温低過剰圧条件におけるpvーppv転移メカニズムと、そのLPO進化への影響を検討した。
出発試料は粒径5–10µmの等粒状多結晶NaNiF3（pv）であり、NiF2とNaFの粉末混合物から、九州大学のDIA型高圧装置（MAX-90D）を用いて2 GPa, 750–800°C, 40–60分の条件で合成した。相転移および変形実験は、Kawai型およびD-111型高圧装置を用いて、九州大学での急冷法（QDES）と、SPring-8（SPEED 1500およびSPEED Mk.II）およびPF-AR（MAX-III）の放射光ビームラインにおけるその場X線観察法を併用して行った。その場X線観察は、白色X線を用いたエネルギー分散法と、60 keV単色X線を用いた角度分散法の両方で行い、相転移カイネティクスと応力ー歪み曲線をモニタした。回収試料の組織解析には、SEM、EBSD、TEMを用いた。
実験は、圧力10–22 GPa、温度400–1240°Cの条件下で行った。pv-ppv転移に必要な過剰圧は温度の低下とともに増加する。先行研究では、高過剰圧条件下でのマルテンサイト的転移が報告されているが、本研究では、より低い過剰圧条件下でも転移が進行し、そこでは粒界核生成と成長が支配的であることが示された。特に、静水圧かつ高温・低過剰圧条件下では、新相ppv粒子はa軸方向に優先成長し、母相pv粒子よりも巨大な棒状結晶が形成された。
一軸変形実験では、歪み速度約3–6×10-5 s-1で、最大約40%の歪みを試料に加えた。母相pvは、室温圧縮中に最大主応力（σ1）に垂直な(100)配向を発達させ、これはMgSiO3 pvの変形実験で確認された(100)[001]すべり系と一致する[2]。この(100)配向pvが高温・低過剰圧条件下で相転移すると、生成されたppv相はσ1に垂直な(010)配向を示した。これは先行研究で報告されたトポタキシーと調和的な関係であり、低過剰圧条件下での核生成・成長を通じた相転移においても、LPOが継承されることを示唆している。しかし、相転移段階で形成されたppvの(010)配向は、その後ppv相に変形を加えると弱められる。一方で、初期にランダム配向を持つppv相を変形させると(001)配向が発達し、ppvにおける主要なすべり面が(001)であることが示唆された。
D″層のような比較的高温の変形場では、相転移が相境界に近い条件で核生成ー成長プロセスで進行し、その過程において、変形誘起のpv選択配向、トポタキシーによる選択配向の継承、変形誘起のppv選択配向、といったLPO進化が予想される。以上の結果をもとに、D″層領域で観測される地震波異方性を説明しうるマントル流とLPOの関係について議論する。
[1] Nature Geoscience Vol.6 p575-578 (2013)
[2] Nature Vol.539 p81-85 (2016)
出発試料は粒径5–10µmの等粒状多結晶NaNiF3（pv）であり、NiF2とNaFの粉末混合物から、九州大学のDIA型高圧装置（MAX-90D）を用いて2 GPa, 750–800°C, 40–60分の条件で合成した。相転移および変形実験は、Kawai型およびD-111型高圧装置を用いて、九州大学での急冷法（QDES）と、SPring-8（SPEED 1500およびSPEED Mk.II）およびPF-AR（MAX-III）の放射光ビームラインにおけるその場X線観察法を併用して行った。その場X線観察は、白色X線を用いたエネルギー分散法と、60 keV単色X線を用いた角度分散法の両方で行い、相転移カイネティクスと応力ー歪み曲線をモニタした。回収試料の組織解析には、SEM、EBSD、TEMを用いた。
実験は、圧力10–22 GPa、温度400–1240°Cの条件下で行った。pv-ppv転移に必要な過剰圧は温度の低下とともに増加する。先行研究では、高過剰圧条件下でのマルテンサイト的転移が報告されているが、本研究では、より低い過剰圧条件下でも転移が進行し、そこでは粒界核生成と成長が支配的であることが示された。特に、静水圧かつ高温・低過剰圧条件下では、新相ppv粒子はa軸方向に優先成長し、母相pv粒子よりも巨大な棒状結晶が形成された。
一軸変形実験では、歪み速度約3–6×10-5 s-1で、最大約40%の歪みを試料に加えた。母相pvは、室温圧縮中に最大主応力（σ1）に垂直な(100)配向を発達させ、これはMgSiO3 pvの変形実験で確認された(100)[001]すべり系と一致する[2]。この(100)配向pvが高温・低過剰圧条件下で相転移すると、生成されたppv相はσ1に垂直な(010)配向を示した。これは先行研究で報告されたトポタキシーと調和的な関係であり、低過剰圧条件下での核生成・成長を通じた相転移においても、LPOが継承されることを示唆している。しかし、相転移段階で形成されたppvの(010)配向は、その後ppv相に変形を加えると弱められる。一方で、初期にランダム配向を持つppv相を変形させると(001)配向が発達し、ppvにおける主要なすべり面が(001)であることが示唆された。
D″層のような比較的高温の変形場では、相転移が相境界に近い条件で核生成ー成長プロセスで進行し、その過程において、変形誘起のpv選択配向、トポタキシーによる選択配向の継承、変形誘起のppv選択配向、といったLPO進化が予想される。以上の結果をもとに、D″層領域で観測される地震波異方性を説明しうるマントル流とLPOの関係について議論する。
[1] Nature Geoscience Vol.6 p575-578 (2013)
[2] Nature Vol.539 p81-85 (2016)