9:45 AM - 10:00 AM
[R3-04] Influence of high oxygen fugacity on melting temperature of wadsleyite and chemical composition of the generated melts
[Presentation award entry]
Keywords:Wadsleyite, Ferric iron, Oxygen fugacity, Melting temperature, Mantle transition zone
1. はじめに
地球のマントル遷移層上部の約60％はカンラン石の高圧相であるウォズリアイトで構成されている。マントル遷移層には海洋プレートの沈み込みにより水や３価の鉄イオンが供給されている。3価の鉄イオンが加わったMgO-FeO-Fe2O3-SiO2系はMgO-FeO-SiO2系と比較して下部マントルの融点を下げることが分かっている (Sinmyo et al., 2019)。しかし、マントル遷移層上部のウォズリアイトの熔融温度に及ぼす3価の鉄イオン、すなわち高酸素分圧の影響はこれまでに研究されていない。そこで本研究では、川井型マルチアンビル装置を用いてマントル遷移層上部のウォズリアイトの熔融温度に及ぼす高酸素分圧の影響と生成したメルトの化学組成を明らかにするための実験を行った。
2. 実験方法
出発物質にはサンカルロス産カンラン石の粉末を用いた。出発物質は酸素分圧バッファーとともにAuカプセルに封入した。高温高圧実験は、広島大学設置の川井型マルチアンビル装置MAPLE600を用いて行った。実験は13.7～16.6 GPaで1300℃と1600℃の条件で行った。これらの温度圧力条件を10分から30分保持し急冷した。酸素分圧はRe-ReO2バッファーとMo-MoO2バッファーを用いて制御した。回収試料は、鏡面研磨後、反射顕微鏡および電子プローブマイクロアナライザーを用いて観察し、化学組成を分析した。回収試料の相同定には、微小領域Ｘ線回折法と顕微ラマン分光法を用いた。ウォズリアイトの含水量測定はFTIRを用いて行った。
3. 結果および考察
1500℃でRe-ReO2バッファーを用いた高酸素分圧の条件で急冷結晶が観察された。一方、Mo-MoO2を用いた低酸素分圧の条件では急冷結晶は観察されなかった。(Mg0.9, Fe0.1)2SiO4組成のウォズリアイトは低酸素分圧下において2300℃で熔融する（Ohtani et al., 1998）。ウォズリアイトの含水量は約0.2～0.4 wt％であった。ウォズリアイトに0.4 wt％の水が含まれると、本実験の圧力条件では熔融温度が約200℃下がる (Litasov and Ohtani 2003)。よって、含水のみの効果では本研究の結果を説明することはできないため高酸素分圧の影響で融点が低下したと言える。 本実験で生成したメルトの化学組成は16.6 GPa、1500℃の条件ではFe/(Mg+Fe)=0.18(1)、14.6 GPa、1500℃及び1600℃の条件ではFe/(Mg+Fe)=0.19(1)であった。一方、固相のFe/(Mg+Fe)は0.091(3)～0.095(3)であった。出発物質の組成はFe/(Mg+Fe)=0.1であるため、今回の結果は、熔融組織から見出すことのできる熔融度が極めて低いという観察結果と一致する。すなわち、本研究の結果は1500-1600℃での高酸素分圧下での平衡なMg2SiO4-Fe2SiO4系熔融固溶体ループが観察できていると考えることができる。 15-17 GPaにおける低酸素分圧下、すなわちFe3+が寄与しない条件での熔融固溶体ループのデータがないため現時点で直接の比較ができないが、Ohtani et al. (1998)の8.5 GPaの相図より推定することは可能である。この考察によると、高酸素分圧すなわちFe3+の影響により、Mg2SiO4-Fe2SiO4系熔融固溶体ループがFe成分の増加に伴い大きく温度低下している可能性が見いだされる。今後は、低酸素分圧下での熔融の様子との直接比較が必要であると考える。
地球のマントル遷移層上部の約60％はカンラン石の高圧相であるウォズリアイトで構成されている。マントル遷移層には海洋プレートの沈み込みにより水や３価の鉄イオンが供給されている。3価の鉄イオンが加わったMgO-FeO-Fe2O3-SiO2系はMgO-FeO-SiO2系と比較して下部マントルの融点を下げることが分かっている (Sinmyo et al., 2019)。しかし、マントル遷移層上部のウォズリアイトの熔融温度に及ぼす3価の鉄イオン、すなわち高酸素分圧の影響はこれまでに研究されていない。そこで本研究では、川井型マルチアンビル装置を用いてマントル遷移層上部のウォズリアイトの熔融温度に及ぼす高酸素分圧の影響と生成したメルトの化学組成を明らかにするための実験を行った。
2. 実験方法
出発物質にはサンカルロス産カンラン石の粉末を用いた。出発物質は酸素分圧バッファーとともにAuカプセルに封入した。高温高圧実験は、広島大学設置の川井型マルチアンビル装置MAPLE600を用いて行った。実験は13.7～16.6 GPaで1300℃と1600℃の条件で行った。これらの温度圧力条件を10分から30分保持し急冷した。酸素分圧はRe-ReO2バッファーとMo-MoO2バッファーを用いて制御した。回収試料は、鏡面研磨後、反射顕微鏡および電子プローブマイクロアナライザーを用いて観察し、化学組成を分析した。回収試料の相同定には、微小領域Ｘ線回折法と顕微ラマン分光法を用いた。ウォズリアイトの含水量測定はFTIRを用いて行った。
3. 結果および考察
1500℃でRe-ReO2バッファーを用いた高酸素分圧の条件で急冷結晶が観察された。一方、Mo-MoO2を用いた低酸素分圧の条件では急冷結晶は観察されなかった。(Mg0.9, Fe0.1)2SiO4組成のウォズリアイトは低酸素分圧下において2300℃で熔融する（Ohtani et al., 1998）。ウォズリアイトの含水量は約0.2～0.4 wt％であった。ウォズリアイトに0.4 wt％の水が含まれると、本実験の圧力条件では熔融温度が約200℃下がる (Litasov and Ohtani 2003)。よって、含水のみの効果では本研究の結果を説明することはできないため高酸素分圧の影響で融点が低下したと言える。 本実験で生成したメルトの化学組成は16.6 GPa、1500℃の条件ではFe/(Mg+Fe)=0.18(1)、14.6 GPa、1500℃及び1600℃の条件ではFe/(Mg+Fe)=0.19(1)であった。一方、固相のFe/(Mg+Fe)は0.091(3)～0.095(3)であった。出発物質の組成はFe/(Mg+Fe)=0.1であるため、今回の結果は、熔融組織から見出すことのできる熔融度が極めて低いという観察結果と一致する。すなわち、本研究の結果は1500-1600℃での高酸素分圧下での平衡なMg2SiO4-Fe2SiO4系熔融固溶体ループが観察できていると考えることができる。 15-17 GPaにおける低酸素分圧下、すなわちFe3+が寄与しない条件での熔融固溶体ループのデータがないため現時点で直接の比較ができないが、Ohtani et al. (1998)の8.5 GPaの相図より推定することは可能である。この考察によると、高酸素分圧すなわちFe3+の影響により、Mg2SiO4-Fe2SiO4系熔融固溶体ループがFe成分の増加に伴い大きく温度低下している可能性が見いだされる。今後は、低酸素分圧下での熔融の様子との直接比較が必要であると考える。