[S-MP42] 鉱物の物理化学

[SMP42-P02] forsteriteにおける炭素溶解メカニズムの解明

*三谷 彩木¹、興野 純¹ (1.筑波大学大学院生命環境科学研究科地球進化科学専攻)

キーワード：珪酸塩鉱物, 炭素溶解, フォルステライト

はじめに
　珪酸塩鉱物は地殻・マントル中を構成する主要な鉱物であり、地球内部において重要な役割を担っている。また、炭素も地球内部に多量に存在し、珪酸塩鉱物中にわずかに固溶することが知られている。Shcheka et al. (2006)は、高温高圧実験によってマントル鉱物への炭素溶解度を調べ、olivineでは圧力が上昇するのに伴って炭素溶解度は増加し、11 GPaで最大12 ppm溶解することを示した。このとき炭素はC⁴⁺としてSi⁴⁺と置換し、olivineのSiO₄四面体内にCO₄四面体として占有される可能性を示唆した。また、Sen et al. (2013)は非晶質のオキソ炭化ケイ素(SiOC)のPDCs (Polymer-Derived Ceramics)を用いた実験によって、地球環境下では炭素と酸素の置換が低温高圧領域の珪酸塩鉱物中で発生することを指摘し、熱力学的には炭素はSi⁴⁺と置換するより酸素と置換しやすいことを明らかにした。このように、珪酸塩鉱物に炭素が溶解するとき、炭素はSi⁴⁺の原子位置に取り込まれCO₄四面体となるのか、酸素の原子配置に占有されSiC₄四面体となるのか、一部の酸素と置換しSi(O,C)₄四面体となるのか、その特性はまだ完全には明らかになっていない。
　そこで、本研究では上部マントルの主要構成鉱物であるforsteriteにおける炭素置換メカニズムを解明することを目的とする。

実験方法
　炭素溶解実験に使用した鉱物試料は、天然のforsterite (San Carlos, California, USA)である。Forsteriteと炭素の反応剤(graphiteまたは活性炭)をそれぞれ混合し粉末にしたものを石英ガラスチューブに入れ真空封入し、1000℃、2日間加熱した。加熱後、粉末XRD測定によって生成物の格子定数の変化を調べた。赤外線吸収スペクトルではSiO₄四面体における分子の伸縮運動の変化から炭素がSiO₄四面体に取り込まれた否かを分析した。EPMA測定では生成物の炭素の定量分析を行った。さらに、第一原理計算によって生成物の構造の推定を行った。

結果・考察
　粉末XRD測定より、炭素の増加に伴ってb値、c値の長さが収縮し、単位格子の体積が減少するという傾向があった。赤外線吸収スペクトル分析より、C-O結合の伸縮振動が現れるスペクトルの領域にわずかなショルダーが見られた。EPMA測定からは炭素が有意に認められ、反応前後でSiとCのイオン数に負の相関が認められた。第一原理計算より、炭素はSiO₄四面体中のSiと置換してC-O結合を形成したときがエネルギー的に安定した。Si-O結合の距離と置換後のC-O結合の距離を比較すると、結合距離は明らかに短くなった。本研究の結果から、forsteriteには炭素を溶解することが可能であるということが示唆される。さらに、このとき炭素がSiO₄四面体内のSi⁴⁺と置換していることが考えられる。
しかしながら、個々のForsterite中で置換する炭素の量はわずかであるため、今後慎重な検証実験を繰り返し、結論を導くことが必要である。