13:45 〜 14:00
[PPS08-01] 原始惑星系円盤における FeO を含む非晶質ケイ酸塩と水蒸気との酸素同位体交換
キーワード：非晶質ケイ酸塩、ケイ酸塩ダスト、原始惑星系円盤、酸素同位体
地球や，小惑星，彗星，月，火星起源の地球外物質は，太陽よりも 16O に乏しい組成を示すことから，太陽の原始惑星系円盤において，太陽系天体の材料となったケイ酸塩ダストが 16O に乏しい H2O ガスとの間で酸素同位体交換反応を起こしたことが示唆される (e.g., Yurimoto and Kuramoto, 2004)．始原隕石のマトリックスには非晶質ケイ酸塩が含まれ，かつ FeO に富む組成を示す (e.g., Scott and Krot, 2005)．赤外天文観測によって，非晶質ケイ酸塩は原始惑星系円盤の主要ダストであることが知られており (e.g., Henning et al., 2010)，FeO を含んだ非晶質ケイ酸塩が円盤での初生的なダストだとすれば，FeO に富む非晶質ケイ酸塩粒子と円盤 H2O ガスとの間で酸素同位体交換反応が進行したことを意味する．これまで，非晶質 Mg ケイ酸塩については低圧 H2O ガスとの間の速度論が実験的に決定されてきたが (Yamamoto et al., 2018, 2020)，FeO に富む非晶質ケイ酸塩については研究例がない．本研究では，FeOを含む非晶質ケイ酸塩が原始惑星系円盤の初生ダストであった場合の酸素同位体交換の進行速度，ならびに非晶質ケイ酸塩の酸素同位体交換におけるFeOの効果を調べることを目的とし，Mg/(Mg+Fe) ~0.51 のかんらん石に近い組成を持つ非晶質ケイ酸塩粒子と低圧水蒸気との間の酸素同位体交換実験を行った．
誘導加熱プラズマ装置で合成した2–50 mgの出発物質を，水素と 18O に富む水蒸気の混合ガスを流した真空炉内において 480°C, Ptotal = 0.48–2.44 Pa で，12–132 時間加熱した．ガスの混合比は，FeO がほぼすべて非晶質内に留まる (酸化鉄や金属鉄として析出しない) 条件を事前に実験で決定し，その範囲 (H2/H2O ~100–500) に限定した．実験試料はX線回折 (PANalytical X'Pert Pro MPD) およびフーリエ変換赤外分光分析 (JASCO FT/IR-4200) で分析した．粉末試料を直径 3 mm のペレットに成型し，真空下，~1150°C で 20 時間焼結したうえで，その酸素同位体組成を北海道大学の二次イオン質量分析装置 (CAMECA IMS 1280-HR) を用いて測定した．
480°C, Ptotal = 0.48 Pa, PH2O ~5×10−3 Pa (H2/H2O ~100) で 12 時間加熱した実験では，出発物質の量が多いほど，出発物質に近い 18O/(16O+18O) 比 (f18O) を呈し，そのばらつきも増加した．この原因は，粉末の出発物質の塊内部にH218O が十分供給されなかったため，各非晶質粒子の f18O が一定にならなかったことによると考えられる．もしそうならば，非晶質ケイ酸塩粒子内の酸素拡散速度は水蒸気の供給速度に比べ十分に速いことが示唆される．本実験では，5 mg の出発物質を 480°C, Ptotal = 1.72 Pa, PH2O ~6×10−3 Pa (H2/H2O ~300) で 12 時間加熱した試料の f18O は，出発物質の 0.002 から，0.43 ± 0.03 に増加した．一方，フォルステライト・エンスタタイト組成の非晶質ケイ酸塩 (非晶質フォルステライト・エンスタタイト) 粒子の酸素同位体交換は拡散律速であり，(Yamamoto et al., 2018, 2020)，上記の実験条件において，非晶質フォルステライトの f18O が 0.43 まで増加するためには ~700 時間かかる．したがって，480°Cでは FeO を含む非晶質ケイ酸塩の拡散律速による酸素同位体交換速度は非晶質フォルステライトに比べて 2–3 桁以上速いことが予想される．また，FeO を含む非晶質ケイ酸塩では，結晶化速度が非晶質フォルステライトに比べて3–4桁程度速いので (Sakurai et al., 2023 LPSC abstract)，Si-O-Si 結合の切断が効率的に起きていると考えられる．この切断は酸素同位体交換にも必要であり，今回の実験結果と調和的である．本研究からは，非晶質ケイ酸塩にFeOが含まれると酸素同位体交換を起こす温度条件が低温側にシフトすることが予想されるが，定量的議論には酸素拡散律速による同位体交換速度を決定する必要がある．
誘導加熱プラズマ装置で合成した2–50 mgの出発物質を，水素と 18O に富む水蒸気の混合ガスを流した真空炉内において 480°C, Ptotal = 0.48–2.44 Pa で，12–132 時間加熱した．ガスの混合比は，FeO がほぼすべて非晶質内に留まる (酸化鉄や金属鉄として析出しない) 条件を事前に実験で決定し，その範囲 (H2/H2O ~100–500) に限定した．実験試料はX線回折 (PANalytical X'Pert Pro MPD) およびフーリエ変換赤外分光分析 (JASCO FT/IR-4200) で分析した．粉末試料を直径 3 mm のペレットに成型し，真空下，~1150°C で 20 時間焼結したうえで，その酸素同位体組成を北海道大学の二次イオン質量分析装置 (CAMECA IMS 1280-HR) を用いて測定した．
480°C, Ptotal = 0.48 Pa, PH2O ~5×10−3 Pa (H2/H2O ~100) で 12 時間加熱した実験では，出発物質の量が多いほど，出発物質に近い 18O/(16O+18O) 比 (f18O) を呈し，そのばらつきも増加した．この原因は，粉末の出発物質の塊内部にH218O が十分供給されなかったため，各非晶質粒子の f18O が一定にならなかったことによると考えられる．もしそうならば，非晶質ケイ酸塩粒子内の酸素拡散速度は水蒸気の供給速度に比べ十分に速いことが示唆される．本実験では，5 mg の出発物質を 480°C, Ptotal = 1.72 Pa, PH2O ~6×10−3 Pa (H2/H2O ~300) で 12 時間加熱した試料の f18O は，出発物質の 0.002 から，0.43 ± 0.03 に増加した．一方，フォルステライト・エンスタタイト組成の非晶質ケイ酸塩 (非晶質フォルステライト・エンスタタイト) 粒子の酸素同位体交換は拡散律速であり，(Yamamoto et al., 2018, 2020)，上記の実験条件において，非晶質フォルステライトの f18O が 0.43 まで増加するためには ~700 時間かかる．したがって，480°Cでは FeO を含む非晶質ケイ酸塩の拡散律速による酸素同位体交換速度は非晶質フォルステライトに比べて 2–3 桁以上速いことが予想される．また，FeO を含む非晶質ケイ酸塩では，結晶化速度が非晶質フォルステライトに比べて3–4桁程度速いので (Sakurai et al., 2023 LPSC abstract)，Si-O-Si 結合の切断が効率的に起きていると考えられる．この切断は酸素同位体交換にも必要であり，今回の実験結果と調和的である．本研究からは，非晶質ケイ酸塩にFeOが含まれると酸素同位体交換を起こす温度条件が低温側にシフトすることが予想されるが，定量的議論には酸素拡散律速による同位体交換速度を決定する必要がある．