「地球化学グループ」は，火山の諸現象，地球や惑星を構成する物質の進化，地球内での物質循環などを探求する研究を，微量元素，同位体などのトレーサーを用いた地球化学的手法で行っている．

沈み込み火山のマグマの生成には，沈み込むスラブからの流体が関与していることが知られている．流体の関与の指標として，ホウ素（B）の濃度や，ホウ素と他の微量元素との比（例えばB/Nb）が有効であることが知られている．ホウ素は化学的な取り扱いが難しく，また分析中に環境からの汚染を受けるため，今世紀にはいってから，化学処理が不要な即発ガンマ線分析により定量が行われてきた．しかし，2011年の原発事故以降，実験用の原子炉の利用が難しくなり，国内での研究は止まっている．そこで所内の既存の実験設備をホウ素分析に適した環境に改善し，ホウ素を湿式分析により定量分析を行えるようにした．クリーンルームの空気導入フィルターを低ホウ素の素材に切り替えるなどでブランクの低減を図り，同位体希釈分析による定量法を確立した．ホウ素の信頼できる定量値が報告されている標準岩石試料を用いて，分析の正確さ，精度や，どの程度の低濃度の試料が分析可能かについて検討した．その結果，比較的ホウ素濃度の高いJB2から，ホウ素濃度が1ppm以下のBIR2にいたるまで，これまでの報告値と，よく一致する定量結果が得られた．この方法は一般共同利用研究などで島弧マグマの研究に適用されている．

また，火山岩や隕石中に含まれる希ガス同位体組成を調べ，それをもとに火成活動の時空分布，惑星内部からの脱ガスや大気形成過程，惑星の形成・進化史の解明を目的とした研究も行っている．希ガスは不活性なため物理的プロセスを探求するのに有用なトレーサーであり，また⁴He ，⁴⁰Ar ，¹²⁹Xe など年代測定に応用できる放射起源同位体を有する．現在は特に，これまでの分類に当てはまらない新たなタイプの分化隕石（火成活動を伴う小惑星からもたらされた隕石）の希ガス同位体測定を行い，起源天体に関する知見・制約の取得，惑星形成時の熱源や熱史の解明，地球型惑星の大気進化モデル構築，および将来の月惑星探査機への搭載に向けた「レーザー照射源を用いるK-Ar 年代測定システム (小型LIBS-MS システム) 」や「分離膜を用いるNe同位体分析システム」の開発などを進めている．また，はやぶさ2 探査・火星衛星探査計画（MMX）・火星着陸探査技術実証WG (いずれもJAXA 他) に参加し，試料採集・揮発性元素分析のための機器準備や検討を行っている．

川井型マルチアンビル高温高圧発生装置やダイヤモンドアンビル高温高圧発生装置等を用いて，地球の進化や地球内部の物理化学的状態を明らかにするための研究を行っている．地球内部に水が多く存在する場合，温度圧力条件によってはマグマとともに水を主体とする流体とが共存しうる．高温高圧下ではマグマの中に大量の水が溶解し，同時に水を主体とする流体中にも大量のマグマ成分が溶解する．そして，ある臨界条件以上の高温高圧下では水を主体とする流体と含水マグマとは完全に混和して，１つの超臨界流体マグマとなる．我々は国内外の研究者と共同で，現在までにマントルや沈み込むプレート中に水がある場合のこの臨界温度圧力条件を実験的に決定し（図3.3.2），さらにはこの臨界条件近傍で共存する含水マグマと水を主体とする流体の両方の主成分元素化学組成を決めることに成功している．これらの結果から，これまで別々の条件で生成したと考えられてきた2種類のマグマが，実は同じ温度圧力下で同時に生成した可能性があることが明らかになりつつある．これらの研究に加え，高温高圧下での鉱物やマグマの弾性波速度測定実験や，電気伝導度測定実験なども行っている．

浅部マグマ活動に関する研究では，マグマ活動の実体を明らかにすることを目標に，化学組成，含水量測定や組織観察を中心とした火山噴出物の解析を行なっている．マグマ中の含水量は火山噴火のポテンシャルとして重要であり，噴火に到る準備過程を理解する上でマグマ中の含水量変化を明らかにする意義は大きい．また，含水量を適切に評価することによって，斑晶鉱物やマグマの液組成を用いた熱力学的温度圧力計の精度向上も期待できる．斑晶の組成累帯構造や石基組織の観察からは，噴火に伴うマグマの運動についての情報が得られる．これらの情報を総合して，火山噴火の前駆現象の解明に取り組んでいる．

2019年度は火山噴火予知研究センター，山梨県富士山科学研究所，常葉大学，静岡大学，熊本大学，東北大学等との共同研究を実施し，西之島，諏訪之瀬島，伊豆大島，富士山，雲仙，阿蘇山，桜島など，いくつかの活動的火山について，噴火前のマグマの状態を調査した．また，「次世代火山研究推進プロジェクト」の一環として，火山噴出物の分析・解析プラットホームの構築を進めている．これは，膨大な量の火山噴出物を高精度かつ高効率に解析可能にするとともに，火山噴出物解析の自動化と分析結果のデータベース化によって，火山噴火の推移予測に資することを狙っている，今年度は，富士山を起源とする火山灰の定量的データベース構築を進めており，火山灰粒子の気泡形状，石基微斑晶の数や形状などの噴火を特徴付ける諸量を網羅的に収集しており，マグマ供給系の時代変化についての検討を行なっている．

地球内部の3次元地震波速度構造から地球内部の温度分布や流体分布を定量的に推定するためには，岩石の非弾性特性の解明が不可欠であるが，実験データが少なく未知の部分が多い．我々は，有機物多結晶体を岩石アナログ物質として用い，試料のヤング率Eと減衰Q^-1を６桁の広周波数帯域(100-0.1 mHz) で精密に測定できる独自の非弾性測定装置を開発した（図3.3.1）．この装置を用いて，多結晶体の弾性・非弾性・粘性を，融点直下から融点を超えて部分溶融に至るまでの温度範囲（T/Tm＝0.89～1.01）でほぼ連続的に測定を行った．その結果，部分溶融が多結晶体の物性に与える影響は，これまで知られてきたような，メルトが生じたことによる直接的な影響に加えて，溶ける直前にも大きな変化が生じていることがわかった．つまり，ソリダス直下(T/Tm > 0.94)の固体状態において，多結晶体の減衰が顕著に増大し，また，粘性の活性化エネルギーも顕著に増大することがわかった．しかも，融点で0.4%程度の微少なメルトしか生成しない試料でもこの固体状態での変化は大きく，メルトによる直接的な影響を遥かに凌ぐ．上部マントルに存在し得るメルト量は，地球化学的制約条件から1%未満であると予想されているが，部分溶融の影響に対する従来の理解では，上部マントルで観測される地震波低速度域を微少量のメルトで定量的に説明することは困難であった．本研究の成果は，地球化学と地震学の結果を整合的に説明することを可能にするものとして重要である．実際，海洋リソスフェアの地震波速度及び温度構造から得られた横波速度の温度依存性は，カンラン岩のソリダス直下で急激な速度低下を示す（Priestley and McKenzie, 2013）．本実験データから得られた非弾性モデルは，この速度低下をほぼ定量的に説明することに成功した．融点直下における物性変化の詳しいメカニズムはまだ解明できていないが，粒界構造の無秩序化（プリメルティング）によるものと推測している．

プレートテクトニクスの発現や観測されるリソスフェア変形を説明するのに適した降伏強度200-300 MPaと実験的に得られる値，数GPaと大きなずれが存在する．実験室で用いられる試料および試料の粒子サイズ効果によってリソスフェア強度が過大に評価されてしまうという考えもある．例えば，粒径が細かくなると降伏強度が大きくなるホールペッチ効果が知られており，実験室での粒径数10ミクロンの試料から得られた強度をホールペッチ則を用いて実際の地球内部での粒径1-10 mmに外挿することで，リソスフェアの低い降伏強度が説明された．しかし，サイズ効果が果たしてその大きな粒径まで成り立つのかは不明である．少なくとも，工学材料で知られているサイズ効果の上限は数10ミクロン程度である．また，ホールペッチ則を主要造岩鉱物で示した研究はない．そこで，我々は，オリビン多結晶体の平均粒径を170 -890 nmの範囲内で系統的に変化させた試料を合成し，単結晶と共にビッカーズ硬度を測定することで，オリビンの低温下での強度の粒径依存性を調べた．また，ビッカーズ測定の際，荷重を変化させることで，変形域の大きさ依存性（インデンテーション深度依存性：試料サイズ性に相当）も調べた．その結果，粒径効果はべき乗則，（粒径）^-0.09 および変形域の大きさ依存性も同じべき乗則，（インデンテーション深度）^-0.09に従うことが分かった．また，単結晶の測定結果と比較することで，粒径効果は1 mm よりも大きな粒径ではなくなること，変形域の大きさ依存性も4 mm以上でなくなることも示された．粒径効果および変形域大きさ効果の相互作用は強く，その結果，最も低荷重・最小粒径で 17GPaという硬度が得られるのに対し，最大荷重・単結晶において8 GPaという小さな硬度が得られる．これらの結果は，試料および粒子サイズ効果，さらにその相互作用は大きいものの，その効果はミクロンオーダーまでで，サイズ則から（小さな）リソスフェア強度を説明することはできない．本研究成果は，Koizumi, Hiraga, Suzuki (2020 Physics and Chemistry of Minerals) で報告された．また，以上の成果に付随して，オリビン多結晶体の破壊靭性値も得られ，細粒化によってその値は小さくなること（最小値0.8 MPa m^1/2），1 mm程度で1.1 MPa m^1/2，単結晶で0.6 MPa m^1/2となり，ある粒径で極大値を持つような粒径依存性が推定された．