[M-ZZ45] 地球化学の最前線：その魅力や将来の展望を語り合う

[MZZ45-P08] フロー型水蒸気拡散炉を用いたフッ素アパタイトの水素自己拡散係数の決定

*吉元 史¹、坂口 勲²、伊藤 正一¹ (1.京都大学、2.物質・材料研究機構)

キーワード：アパタイト、水素、拡散、SIMS

含水鉱物の水素同位体組成は地球などの太陽系天体における水の起源・進化を評価するための指標として利用されてきた．アパタイトは構造中にヒドロキシ基として水素を含んでおり，太陽系のさまざまな惑星天体に遍在している．アパタイトは他の含水鉱物に比べて変成・変質に強いため水素同位体組成を測定する対象として有用である．しかし，アパタイト中の水素同位体組成は拡散現象によって形成時の組成から変化し得るにも拘らず，拡散が起きていない仮定のもとアパタイト水素同位体組成が測定されてきた．したがって，太陽系天体の水の起源・進化を制約するには，実験により拡散係数を求め，アパタイト中の水素同位体組成変化を評価する必要がある．Yoshimoto et al. (2024) では結晶表面における研磨由来の転位の影響を評価し，コロイダルシリカによる振動研磨を行うことで転位による高速拡散の影響のないフッ素アパタイト中のc軸方向の水素自己拡散係数の決定に成功した．この結果はより良い表面を実現した上で拡散実験を行わなければ，高速拡散の影響によって，正しい自己拡散係数が得られないことを示した．また，得られた550 - 700 ℃での拡散の活性化エネルギーはwet条件での酸素拡散(Farver and Giletti, 1989)と等しく，酸素に関連した拡散様式であることが示唆された．そのため，アパタイト中の水素拡散の拡散種はOHであると結論付けた．しかし，アパタイトは六方晶系の鉱物であるため，より詳細な拡散メカニズムの議論および，拡散係数の天然への適用のためにはc軸方向に加えてc軸に垂直な方向の拡散係数の取得が必須である．そこで本研究では，c軸鉛直方向（550 - 700 ℃）のフッ素アパタイトの水素拡散実験を行ったので報告する．
二次イオン質量分析法(SIMS)を用いた²H濃度の深さプロファイルを取得し，最も単純な実験設定である表面濃度一定のモデルでのフィッティングにより，拡散係数を求めた．c軸鉛直方向の実験結果では，Yoshimoto et al. (2024)と同様の条件で研磨をフィッティングの合う領域が表面付近のみであった．確度の良い拡散係数を得るため，700 ℃でのwet flowによるプレアニールを行い，更なる転位の除去を試みた．フィッティングはよく合い，さらにプレアニールを行なっていない実験結果とアレニウスプロット上で一直線上に乗る結果となった．また，活性化エネルギーはYoshimoto et al. (2024)のc軸方向のものと誤差の範囲で一致し，拡散係数はおよそ3倍であった．また，活性化エネルギーが一致するため，同様のOHを拡散種とする拡散が起きており，拡散係数の違いは幾何学的な距離によるものであることを提案する．