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| 米田 明 | ||||||||||||||||||||
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我々の研究室では、地球内部構成物の物性、特に熱的・弾性的性質を調べています。また、この目的のために必要な技術開発も行っています。現在最も力をいれているのは、珪酸塩鉱物や珪酸塩融体、また、その混合物の弾性的・非弾性的性質を、共振法の手法により決定することです。この手法によれば、実験室系としては、より天然の系に近い、低い周波数 (10kHz-1MHz) で弾性的・非弾性的性質を高精度で決定することができます。我々は、本学理学部と協力して、高圧鉱物の弾性定数とその温度依存性の決定を行っています。液体の場合、形がないため共振法で弾性的・非弾性的性質を決定することが非常に困難でした。そこで、液体-固体複合共振法という手法を新しく開発することにより、珪酸塩融体やその他の液体の弾性的・非弾性的性質の決定を試みています。またそのための新しい解析アルゴリズムの開発も行っています。共振法は常圧では強力ですが、高圧下に適用することは困難です。我々は、超高圧発生装置内で鉱物の弾性波速度測定を行い、高圧下で弾性定数の決定を行っています。これにより、高圧X線用標準物質の状態方程式を高い精度で決定し、X線その場観察による圧力決定の信頼性の確立を行っています。 |
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研究について 地球内部を“見る” 地球は気圏、水圏、地圏から成り立っていますが、地圏（固体地球）研究者が共通にこぼす愚痴があります。曰く「空は見通せるが、地下は見えない」。深い穴も掘られていますが、莫大な費用と歳月をかけてやっと12kmぐらいです（ロシアのコラ半島）。固体地球の半径6370kmと比べると引っかき傷程度なのです。 しかしながら、可視光では見えなくても、地震波で地球内部を“見る”ことができます。地震波は地震で励起される弾性波です。地震波で地球内部構造を調べることは、超音波エコー装置で胎児を診察するのと原理的に同じです。最近は地震波トモグラフィーという手法で地球内部の地震波速度分布の三次元構造も明らかにされてきています。これは医学用X線断層写真にヒントを得て始められたといわれています（原理は多少異なるが目的は同じ）。 固体地球は中心から核、マントル、地殻の三層構造から成り立ち、それぞれは内核と外核、下部マントルと上部マントル、下部地殻と上部地殻に別けられています。層構造（地震学的不連続面）の存在だけだなく、各層の密度も深さの関数として精度よく決められています。そうすると万有引力の法則を適用すれば固体地球内部の圧力が計算できます（学部学生の演習問題）。下表は深さと圧力の対照表です。中心の圧力は360 GPaに及び、地球深部の物質科学的研究において超高圧条件が必須であることが理解できるでしょう。
当研究センターは鳥取県三朝町に所在する、教官数15名の小さな研究所です。当研究センターには“地球内部物理学グループ”と呼ばれるグループがあり、地球深部の物質科学的研究をおこなっています。超高圧発生には、大きくわけて三つの方法（装置）があります。マルチアンビル、ダイヤモンドアンビル、衝撃圧縮実験で、当センターではマルチアンビル装置とダイヤモンドアンビル装置が稼動しています。 岡山大学の近くにSPring8放射光実験施設があります。当センターも含めた日本の超高圧地球科学グループが協力してSPring8内にマルチアンビル装置(SPEED1500)を建設しました。SPring8の超強力X線は容易にマルチアンビル装置を貫通するので、実験室で再現した“地球深部”が“見える”ようになりました。SPring8のおかげで新しい超高圧地球科学の研究が可能になりましたが、一方で超高圧地球科学の古い問題が蒸し返されることにもなりました。 まずSPring8を利用した新しい研究テーマを幾つか紹介しましょう。 ① 焼結ダイヤモンドアンビルによる100GPa圧力発生と下部マントルの実験的研究。マルチアンビル装置内部の発生圧力をモニターするためには放射光X線が必須です。 ② マントル鉱物の相境界の精密決定。この研究を積み上げることにより、地球内部（特にマントル）の温度が決定できます。 ③ 高圧Ｘ線ラジオグラフィ。原理はレントゲン写真と同じで，高温高圧下の試料の形状や組成変化によるコントラストを放射光X線でモニターします。 さて、SPring8が提議した古い問題とは圧力スケールのことです。1997年のSPring8立ち上げ直後、愛媛大学グループがスピネル‐ペロブスカイト転移圧を21GPaと報告しました。地震学で確立している670ｋｍ不連続面の圧力は23.8GPaだから670ｋｍ不連続面の成因は上記の相転移ではないことになります。この食い違いは一時学会で話題になったが、現在では圧力スケールの不正確さによる“実験誤差”と考えられようになってきています。各種圧力スケール間の相互比較実験が行われ、既存の圧力スケールの不確かさが明らかになったからです。 圧力は力を面積で割れば実測できます。このような方法で圧力が決定できるのは高々8GPaまでです。それ以上の圧力では、高圧力をシールする部材に余計な力が必要となるため直接決定できないのです。現在の超高圧下の圧力スケールは標準物質（NaCl、Au、MgOなど）の状態方程式（圧力－体積－温度の関係式）を、低圧側の実測データ、衝撃波実験データ及び理論的考察をもと推定したものです。 より高圧まで実験的に圧力を決めるためには、X線回折による標準物質の密度と（音速による）体積弾性率の同時測定を高精度で行えばよいことが分かっています。筆者は高圧下での音速測定法の精密化に取り組んでいて、この方法による圧力スケールの確立を目指しています。 最後に当研究センターについて少し紹介させていただきます。当センターは全国共同利用機関として旅費･滞在費の補助制度があり宿泊所も安価（一泊700円）なので、学内の方々にも利用して下さい。また前期後期大学院課程もあり、意欲的な学部学生の方には進学先として是非検討して欲しいです。筆者の前任の名古屋大学大学院と比較しても、研究に集中できる点をはじめとして、①教官が実験室にいる時間が長い、②設備が充実している、③居室に余裕がある（1スパン2-3人）等のメリットがあます。 |
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略歴 学歴 京都大学 理学士（物理学） １９７７年３月３１日 大阪大学 工学修士（物性物理学） １９７９年３月３１日 （論文題名：高圧下におけるバリウムおよびビスマスの相転移） 名古屋大学 理学博士（地球科学） １９９０年７月１９日 （論文題名：単結晶MgOおよびMgAl2O4における弾性定数の圧力微係数） 職歴 １９７９年４月～１９９３年１２月 名古屋大学文部技官（理学部地球科学科） １９９２年４月～１９９４年３月 コロラド大学環境科学共同研究所客員研究員 １９９４年１月～１９９７年８月 名古屋大学助手（地学部地球科学科） １９９７年９月～現在 岡山大学助教授（固体地球研究センター） |
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業績 T.Sumita, A.Yoneda, 2014, Anharmonic effect on the equation of state (EoS) for NaCl, Phys Chem Minerals, 41, 91-103 S. Zhai, D. Yamazaki, W. Xue, L. Ye, C. Xu, S. Shan, E. Ito, A.Yoneda, T. Yoshino, X. Guo, A. Shimojuku, N.Tsujino, K.Funakoshi, P-V-T relations of γ-Ca3(PO4)2 tuite determined by in situ X-ray diffraction in a large-volume high-pressure apparatus, American Mineralogist, 2013, 98, 1811-1816 D. Yamazaki, E. Ito, T. Yoshino, A. Yoneda, X. Guo, B. Zhang, W. Sun, A. Shimojuku, N. Tsujino, T. Kunimoto, Y. Higo, K. Funakoshi, P-V-T equation of state for ε-iron up to 80 GPa and 1900 K using the Kawai-type high pressure apparatus equipped with sintered diamond anvils. Geophysical Research Letters, L20308, doi:10.1029/2012GL053540, 2012. A. Yoneda, T. Cooray, A. Shatskiy, 2012. Single-crystal elasticity of stishovite: New experimental data obtained using high-frequency resonant ultrasound spectroscopy and a Gingham Check structure model, Physics of the Earth and Planetary Interiors,190-191, 80-86 Yoneda. A, Yonehara. M , Osako.M , 2012. Anisotropic thermal properties of talc under high temperature and pressure., Physics of the Earth and Planetary Interiors, 190-191, 10-14 A. Yoneda,Sohag, F. H,Pore effect on macroscopic physical properties: Composite elasticity determined using a two-dimensional buffer layer finite element method model ,JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 116, B03207,2011 Yoneda, A.,Sohag,F.H., The effect of inclusions on macroscopic composite elasticity: A systematic finite-element analysis of constituent and bulk elastic properties, J. Phys.: Conference Series, 215, 012055, 2010. Osako, M., Yoneda, A., Ito, E., Thermal diffusivity, thermal conductivity and heat capacity of serpentine(antigorite) under high pressure, Phys. Earth Planet. 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