ブックタイトル日本結晶学会誌Vol59No4

概要

日本結晶学会誌Vol59No4

日本結晶学会誌59，143-144（2017）最近の研究動向多結晶体二次元回折パターンに基づいた格子選択配向解析と地球惑星科学への応用神戸大学大学院理学研究科瀬戸雄介Yusuke SETO：Lattice Preferred Orientation Analyses Using 2-dimensional DiffractionPatterns and its Implication for Earth and Planetary Sciences近年の高温高圧発生技術の向上や第1原理的な計算手法の発展によって，地球深部物質に対する理解は飛躍的に向上した．現在では，地表から内核に至るまでの温度圧力条件で，熱力学的に安定な鉱物の結晶構造はほぼ解明されていると言っても過言ではない．ただし，結晶構造がわかったからといって，その集合体である岩石の性質がすべて理解されるわけではない．多結晶体の物性には，構成粒子の単結晶としての性質だけでなく，格子選択配向（lattice preferred orientation，LPO）の要素が大きく効いている．格子選択配向とは構成する粒子の結晶学的方位が，特定の方向に卓越する状態であり，一軸圧縮によって結晶の平板面の法線方向が圧縮軸に揃う場合や，せん断応力によって結晶が変形し特定のすべり面が配向することなどによって生じる．地球の岩石は，プレートの沈み込み現象や火成活動からもわかるように絶えず流動しており，その応力環境に応答して変形を起こす．変形が異方的であれば必ずある程度の格子選択配向を伴い，その結果，岩石の物性も異方性をもつ．実際，地球内部には多くの地震波速度異方性領域が存在することが知られているが，これは岩石を構成する鉱物の格子選択配向が原因だと考えられている．相平衡論的な地球の全容が明らかになりつつある現在では，このような格子選択配向に伴う岩石物性の異方性が，地球内部における観測データの解釈や岩石の流動様式の詳細な理解にとって重要な要素であると認識され，地球科学の分野で最近注目を集めている．多結晶体試料の格子選択配向を解析する手法として，現在最も利用されているのは電子後方散乱回折であるが，この手法は真空下での解析であり，高温高圧その場解析には適用することができない．本稿では，高温高圧実験に適用可能なX線回折法による格子選択配向の解析について，最近の動向を紹介する．平行な単色X線を多結晶体に照射すると，環状の回折パターン（デバイリング）が得られる．この光学系は，日本結晶学会誌第59巻第4号（2017）回転や揺動機構が必要ないため実験システムが簡便であり，高温高圧発生装置のように試料近辺の光路が制限される実験に適している．さらに近年では大面積の半導体検出器が安価になり，放射光施設だけでなく実験室レベルでも広く普及した．試料を構成する粒子の結晶学的方位がランダムであればデバイリング上の強度分布は一様となる．一方，格子選択配向をもつ試料の場合はリング上の強度が変動し，さらにその強度変動の様子は反射指数によって異なったものとなる．したがって，格子選択配向性解析とは，すべてのデバイリングの強度変動を説明できるような方位分布関数を見つけることにほかならない．最近著者らは，格子選択配向をもつ試料の二次元回折パターンを，二次元データのまま解析し最適な方位分布関数を探索する手法（ソフトウェア）を開発した．1）この手法ではコンピュータ上で実験室座標系の全方位空間を10 6～7程度に分割し，対象結晶が各方位に置かれたときの回折パターン（すなわち，画像上の位置と強度）をすべて計算する．1つ1つのパターンは単結晶試料から得られるようなスポット状の強度分布であり，それらを足し合わせたものはデバイリングとなる．各方位の存在密度を逐次的に変化させて計算した二次元強度分布と実測値との残差の二乗和が小さくなるように改良することで，最適な方位分布関数を得るというものである．方位分布関数の補正方法（詳しくは文献2）を参照）について改良の余地はあるが，二次元のままで解析を行うため，視覚的に最適化の進み具合を判断できることや，圧縮条件下での格子歪みも最適化できることなどが利点である．最適化にはある程度の計算機能力は必要であるが，近年メモリの大容量化やスレッドの並列化が進んでいるため，市販のコンピュータでも数十分程度で解析できるようになった．この手法を用いた最近の研究例を紹介する．ペロブスカイト型の結晶構造（空間群Pbnm）をもつ（Mg，Fe）SiO 3組成のブリッジマナイトは，地球の下部マントル（地下660～2700 km）の大部分を占める（すなわち，地球で最143