R3: High-pressure science and deep Earth’s material

[R3-11] Post-spinel transition of Fe₂SiO₄ ahrensite at high pressure and high temperature

*Masaki AKAOGI^1,2, Natsuki MIYAZAKI¹, Taisuke TAJIMA¹, Hiroshi KOJITANI¹ (1. Gakushuin Univ. Sci. , 2. Univ. Tokyo Sci.)

Keywords:Post-spinel transition , ahrensite, high-pressure experiment, thermodynamic calculation

Mg₂SiO₄-Fe₂SiO₄系のポストスピネル転移の高圧相平衡関係は、マントルの660㎞不連続面の解明のため、Mgに富む組成領域で多くの研究がなされてきた。一方、スピネル型Fe₂SiO₄（アーレンサイト）は高圧下でFeO（ウスタイト）とSiO₂（スティショバイト）に分解するが、このFe₂SiO₄のポストスピネル転移の相平衡関係については、1970－90年代になされた少数の研究しかなく、それらの結果には大きな相違が見られる。本研究では、Fe₂SiO₄アーレンサイトのウスタイト＋スティショバイトへの分解反応の相平衡関係を高圧実験により20 GPa、1400 ºCまでの条件で決定し、熱力学計算による相平衡境界線との比較を行い、従来の研究結果との相違を議論した。また、それらの結果を用いて、衝撃変成を受けた隕石中に発見されたFe₂SiO₄に富むアーレンサイトの生成圧力条件を推定した。
　出発試料としてオリビン型Fe₂SiO₄、ウスタイト、金属鉄の混合物を鉄カプセルに封入し、マルチアンビル装置を用いて20 GPa、1400 ºCまでの圧力温度条件に3-6時間保持した後、急冷回収した。回収試料の一部を使って粉末X線回折法で相を同定し、ウスタイトの格子定数を測定した。また回収試料を研磨し、微小部X線回折法で相を同定し、走査電子顕微鏡で組成分析を行った。
　得られた結果を図に示す。各圧力温度で3-6時間保持することにより、反応が完全に進行したと判断される。また逆反応実験も行って、平衡相境界を求めた。相境界線（図の実線）は負の勾配を持ち、P(GPa) = 19.6 – 0.003T(ºC)で表される。従来の研究と比べると、この相境界線は1000-1200 ºCで約1-4 GPa低い位置にある。この相違は、従来の研究における圧力較正の不確定さ、アーレンサイトの分解反応が比較的遅いこと、酸素分圧の違いなどに原因があると考えられる。アーレンサイト、ウスタイト、スティショバイトの熱力学データを用いて計算した相境界線（点線）は、今回の高圧実験で決めた相境界線よりやや小さい負の勾配を持ち、高圧実験による相境界線と誤差範囲内で良く合うことが示された。
　2002年以降、衝撃変成を受けた隕石中にFe₂SiO₄に富むアーレンサイトが相次いで発見された。Xie et al. (2002) によって最初に発見されたMg₂SiO₄-Fe₂SiO₄系アーレンサイト（Fe₂SiO₄成分が62-99 mol%）は、FeOとSiO₂に富む組成のメルトポケット内にスティショバイトと共に見い出された。今回の実験で得られたFe₂SiO₄の相関係などを用いると、これらのアーレンサイトは約13-16GPa以下、約9-12GPa以上の圧力条件下でメルトから結晶化したと推定される。