14:30 〜 14:45
[PCG19-10] 非晶質Mg-Feケイ酸塩ダストの結晶化：初期太陽系における熱過程への応用
キーワード：非晶質ケイ酸塩、結晶化、速度論、初期太陽系、原始惑星系円盤、隕石母天体
最も変成度の小さいコンドライト隕石は，マトリックス中にさまざまなFeO含有量を示す非晶質ケイ酸塩を含んでいる (e.g., Vollmer et al., 2020)．赤外線天文観測により，非晶質ケイ酸塩は原始惑星系円盤の主要なダスト成分であることが示されており，さらに熱力学的に不安定な非晶質ケイ酸塩ダストが加熱によって円盤内で結晶化したことも観測されている．最も変成度の小さいコンドライト隕石に非晶質ケイ酸塩が存在することは，原始太陽系円盤およびコンドライト母天体の内部において熱過程を回避した非晶質ケイ酸塩ダストが存在していたことを示唆している．したがって，非晶質ケイ酸塩の結晶化速度がわかると，その情報から原始太陽系円盤およびコンドライト母天体におけるダストの熱進化の温度-時間条件を定量的に制約することが可能である．フォルステライト組成の非晶質ケイ酸塩の結晶化速度は，Yamamoto and Tachibana (2018) によってよく研究されているが，始原的コンドライト隕石に多く見られるFeOを含む非晶質ケイ酸塩の結晶化速度は十分に理解されていない．本研究では，Yamamoto and Tachibana (2018) に倣ってFeO含有非晶質珪酸塩の結晶化実験を行った．
まず，太陽系存在度に近い組成 (Mg：Fe：Si ~ 1：1：1) をもつ非晶質Mg-Feケイ酸塩ナノ粒子の高周波誘導熱プラズマ法による合成を，日清エンジニアリング株式会社に依頼した．合成された平均粒径~70nmの粒子は，主にオリビンに似た組成の非晶質ケイ酸塩 (Mg#=Mg/(Mg+Fe)~51 at.%, (Mg+Fe)/Si~1.9) からなるが，SiO2に富む組成の非晶質ケイ酸塩粉末のコンタミ，オリビン結晶 (Mg#~51 at.%)，および金属鉄が微量に含まれていた．合成した粒子を580~630℃の真空中で0.5~162時間加熱した．出発物質と加熱試料はFE-SEM-EDS，FE-EPMA，XRD，FT-IR，ラマン分光法で分析し，その形態，化学組成，微細構造，結晶化度を決定した．
XRD分析の結果，加熱により非晶質ケイ酸塩から出発原料の大部分と誤差範囲内で同じ組成のオリビン結晶が結晶化していることがわかった．また，加熱開始後30分で金属鉄が消失した．おそらく金属鉄がFeOとして非晶質ケイ酸塩に取り込まれたものと思われる．加熱時間の増加とともに，試料の赤外吸収スペクトルの10 μmと18 μmの位置に見られる非晶質によるブロードなピークが減少し，オリビン結晶に起因する鋭いピークが8–13 μmの波長領域に出現した．SiO2に富む非晶質のコンタミは本研究の出発物質よりも前に合成されたものである可能性が高いが，本実験条件では結晶化しなかったため，以下の議論ではその存在は無視できる．さまざまな時間加熱した試料の結晶化度は，8–13 μmの波長域の吸収特性に基づいて求めた．Johnson-Mehl-Avrami方程式を適用することで，合成された非晶質ケイ酸塩の結晶化の時間スケールは，580, 610, 630℃においてそれぞれ~1.1, ~3.6, ~15時間と推定された．これらの時間スケールは，非晶質ケイ酸塩の結晶化のための時間スケール (Yamamoto and Tachibana, 2018) よりも短い．非晶質オリビンの結晶化の活性化エネルギーは330.5±10.7 kJ/molと推定され，真空中での非晶質フォルステライトの活性化エネルギー (414 kJ/mol; Yamamoto and Tachibana, 2018) よりも小さい．これらの結果は，非晶質ケイ酸塩中のFeO濃度が増加することで結晶化が促進されることを示唆している．
非晶質フォルステライトとオリビン (Mg#~51 at.%) の結晶化の時間-温度-遷移 (T-T-T) 図から，太陽系初期および微惑星内での非晶質Mg-Feケイ酸塩の結晶化に必要な時間スケールは，非晶質フォルステライトよりも3-4桁短いことが示された．また，原始惑星系円盤や微惑星内でFeOを含む非晶質ケイ酸塩が100万年間その非晶質性を維持するための上限温度は~600 Kであり，これは非晶質FeOを含まないケイ酸塩の場合よりも~100 K低い．
まず，太陽系存在度に近い組成 (Mg：Fe：Si ~ 1：1：1) をもつ非晶質Mg-Feケイ酸塩ナノ粒子の高周波誘導熱プラズマ法による合成を，日清エンジニアリング株式会社に依頼した．合成された平均粒径~70nmの粒子は，主にオリビンに似た組成の非晶質ケイ酸塩 (Mg#=Mg/(Mg+Fe)~51 at.%, (Mg+Fe)/Si~1.9) からなるが，SiO2に富む組成の非晶質ケイ酸塩粉末のコンタミ，オリビン結晶 (Mg#~51 at.%)，および金属鉄が微量に含まれていた．合成した粒子を580~630℃の真空中で0.5~162時間加熱した．出発物質と加熱試料はFE-SEM-EDS，FE-EPMA，XRD，FT-IR，ラマン分光法で分析し，その形態，化学組成，微細構造，結晶化度を決定した．
XRD分析の結果，加熱により非晶質ケイ酸塩から出発原料の大部分と誤差範囲内で同じ組成のオリビン結晶が結晶化していることがわかった．また，加熱開始後30分で金属鉄が消失した．おそらく金属鉄がFeOとして非晶質ケイ酸塩に取り込まれたものと思われる．加熱時間の増加とともに，試料の赤外吸収スペクトルの10 μmと18 μmの位置に見られる非晶質によるブロードなピークが減少し，オリビン結晶に起因する鋭いピークが8–13 μmの波長領域に出現した．SiO2に富む非晶質のコンタミは本研究の出発物質よりも前に合成されたものである可能性が高いが，本実験条件では結晶化しなかったため，以下の議論ではその存在は無視できる．さまざまな時間加熱した試料の結晶化度は，8–13 μmの波長域の吸収特性に基づいて求めた．Johnson-Mehl-Avrami方程式を適用することで，合成された非晶質ケイ酸塩の結晶化の時間スケールは，580, 610, 630℃においてそれぞれ~1.1, ~3.6, ~15時間と推定された．これらの時間スケールは，非晶質ケイ酸塩の結晶化のための時間スケール (Yamamoto and Tachibana, 2018) よりも短い．非晶質オリビンの結晶化の活性化エネルギーは330.5±10.7 kJ/molと推定され，真空中での非晶質フォルステライトの活性化エネルギー (414 kJ/mol; Yamamoto and Tachibana, 2018) よりも小さい．これらの結果は，非晶質ケイ酸塩中のFeO濃度が増加することで結晶化が促進されることを示唆している．
非晶質フォルステライトとオリビン (Mg#~51 at.%) の結晶化の時間-温度-遷移 (T-T-T) 図から，太陽系初期および微惑星内での非晶質Mg-Feケイ酸塩の結晶化に必要な時間スケールは，非晶質フォルステライトよりも3-4桁短いことが示された．また，原始惑星系円盤や微惑星内でFeOを含む非晶質ケイ酸塩が100万年間その非晶質性を維持するための上限温度は~600 Kであり，これは非晶質FeOを含まないケイ酸塩の場合よりも~100 K低い．