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[R3-07] 高圧高温実験から予測されるマントル遷移層でのマグマの含水量プロファイル
「発表賞エントリー」
キーワード：マグマの含水量
近年、地球内部での水の影響についての議論が活発に行われている。特にマントル遷移層においては、卓越する鉱物であるwadsleyite及びringwoodite中に最大3 wt%もの水が固定され得ることが知られており、水が貯蔵されている可能性が指摘されている。地球深部鉱物における水の影響の中で、特に重要なものとして鉱物の融点降下がある。含水スラブの沈み込みに伴う含水鉱物の脱水分解反応、それに起因した含水マグマ（島弧マグマ）の生成はその一例である。マントル遷移層に存在する水は、同様に地球深部でのマグマの生成を促進する可能性が考えられる。しかし、マントル遷移層領域での含水マグマの研究はあまり系統的には行われておらず、化学組成やその含水量などは十分に明らかにされていない。このようなデータは、地球内部でのマグマの挙動について理解するために非常に重要なパラメーターである。本研究ではマントル遷移層条件下での高温高圧実験により含水マグマを生成し、各種分析を行うことによりその特徴を明らかにすることを試みた。
高温高圧実験は広島大学及び愛媛大学設置の川井型 600, 3000 ton マルチアンビル型高圧発生装置を用いて行った。温度圧力条件はマントル遷移層程度の条件を想定し、温度 1125 - 1800℃、圧力 14 - 25 GPa で行った。出発試料はモデルマントル物質である pyrolite 組成に水を加えた試料を用意し、SiO2、Al2O3、Fe2SiO4、CaSiO3、MgO、Mg(OH)2 の粉末試料を調合したものを使用した。試料の含水量は 8.3 wt% と 14.8 wt% の 2 種類を用意した。含水量の違いは MgOと Mg(OH)2 の量比で調整した。実験試料は急冷回収後、鏡面研磨をし、反射電子像で組織観察を行い、 EPMA を用いて各固相及び液相（マグマ）の急冷結晶の化学組成を測定した（ただし H2O は除く）。また XRD を用いて固相の同定を行った。そして測定した化学組成値からマスバランス計算を用いて各固相の割合及び液相（マグマ）の割合（溶融度）を求めた。さらに含水鉱物の含水量を EPMA トータル欠損から推定し、マグマ中の含水量をマスバランス計算から得られた溶融度を用いて算出した(eq.1)。
Eq.1: マグマの含水量 = (出発物質の含水量 - 含水鉱物の含水量 × 含水鉱物の割合) ÷ 溶融度
実験を行ったすべての温度・圧力において、無水条件下[1]では溶融が起こらないような温度下でもマグマが生成されることを確認した。そして溶融度の結果を基に、Eq1.を用いてマグマの含水量を算出し、各圧力ごとのマグマの含水量と温度のグラフからリキダスラインを作成し、マグマ中の含水量の温度依存性について明らかにした。溶融度は温度が高くなるほど明瞭に増えていき、それに従いマグマの含水量は低下する様子が示された。またEPMAによる化学組成分析から温度が低くなるほど、マグマ中のSiO2含有量が低下した超塩基性のマグマが生成されることも明らかになった。 図に、今回作成したリキダスラインから推定した、各温度圧力で生成する含水マグマの等含水量線を示す。このグラフにより地球深部で生成された含水マグマがどのような温度圧力の経路をたどっても、そのマグマ中の含水量を推定することが可能となる。例えば温度圧力の移動経路を黄色矢印のように仮定すると[2]、含水量の温度圧力勾配の違いから 16.5 GPa (= 約 480 km)で最も含水量が多くなることが推定される。このように今回作成した含水マグマの等含水量線は、マントルダイナミクスを議論するうえで非常に重要な情報を与える。
参考論文
[1] J. Zhang, C. Herzberg: J. Geophys. Res.: Solid Earth, 99, 17729-17742 (1994)
[2] T. Katsura: J. Geophys. Res.: Solid Earth, 127, e2021JB023562 (2022)
高温高圧実験は広島大学及び愛媛大学設置の川井型 600, 3000 ton マルチアンビル型高圧発生装置を用いて行った。温度圧力条件はマントル遷移層程度の条件を想定し、温度 1125 - 1800℃、圧力 14 - 25 GPa で行った。出発試料はモデルマントル物質である pyrolite 組成に水を加えた試料を用意し、SiO2、Al2O3、Fe2SiO4、CaSiO3、MgO、Mg(OH)2 の粉末試料を調合したものを使用した。試料の含水量は 8.3 wt% と 14.8 wt% の 2 種類を用意した。含水量の違いは MgOと Mg(OH)2 の量比で調整した。実験試料は急冷回収後、鏡面研磨をし、反射電子像で組織観察を行い、 EPMA を用いて各固相及び液相（マグマ）の急冷結晶の化学組成を測定した（ただし H2O は除く）。また XRD を用いて固相の同定を行った。そして測定した化学組成値からマスバランス計算を用いて各固相の割合及び液相（マグマ）の割合（溶融度）を求めた。さらに含水鉱物の含水量を EPMA トータル欠損から推定し、マグマ中の含水量をマスバランス計算から得られた溶融度を用いて算出した(eq.1)。
Eq.1: マグマの含水量 = (出発物質の含水量 - 含水鉱物の含水量 × 含水鉱物の割合) ÷ 溶融度
実験を行ったすべての温度・圧力において、無水条件下[1]では溶融が起こらないような温度下でもマグマが生成されることを確認した。そして溶融度の結果を基に、Eq1.を用いてマグマの含水量を算出し、各圧力ごとのマグマの含水量と温度のグラフからリキダスラインを作成し、マグマ中の含水量の温度依存性について明らかにした。溶融度は温度が高くなるほど明瞭に増えていき、それに従いマグマの含水量は低下する様子が示された。またEPMAによる化学組成分析から温度が低くなるほど、マグマ中のSiO2含有量が低下した超塩基性のマグマが生成されることも明らかになった。 図に、今回作成したリキダスラインから推定した、各温度圧力で生成する含水マグマの等含水量線を示す。このグラフにより地球深部で生成された含水マグマがどのような温度圧力の経路をたどっても、そのマグマ中の含水量を推定することが可能となる。例えば温度圧力の移動経路を黄色矢印のように仮定すると[2]、含水量の温度圧力勾配の違いから 16.5 GPa (= 約 480 km)で最も含水量が多くなることが推定される。このように今回作成した含水マグマの等含水量線は、マントルダイナミクスを議論するうえで非常に重要な情報を与える。
参考論文
[1] J. Zhang, C. Herzberg: J. Geophys. Res.: Solid Earth, 99, 17729-17742 (1994)
[2] T. Katsura: J. Geophys. Res.: Solid Earth, 127, e2021JB023562 (2022)