09:45 〜 10:00
[PPS07-08] Chemical and isotopic fractionation of Type B CAI caused by evaporation: An experimental study
キーワード：難揮発性包有物、蒸発、原始太陽系円盤
難揮発性包有物 (CAI) は太陽系初期に形成された最古の固体物質であり、一部は溶融や比較的揮発性の高い元素(Mg, Si) の蒸発などの高温プロセスを経て形成されたことを示す化学的・同位体的特徴をもつ。これまでにも多くの実験的・理論的研究によってCAIの蒸発や結晶化について議論されてきたが (e.g., Stolper and Paque, 1986; Grossman et al., 2002)、CAIの化学的・同位体的特徴が具体的にどのような環境下で形成されたのかはまだ十分に解明されていない。そこで本研究では、タイプB CAIの結晶化時のタイプB CAIの蒸発の影響を調べ、またCAI形成時の円盤の水素圧力条件を推定するために、原始太陽系円盤を模した低圧水素ガス中でのCAI組成メルトの結晶化実験をおこなった。
実験は、SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, CaCO3粉末を1603°Cの太陽系ガスと平衡な凝縮物の組成比で混合したもの(Grossman et al., 2002) を、Ir線のループ (直径2.5 mm) 上で溶融、急冷した球状のガラス試料を出発物質とした。実験には真空炉を用い、1420°Cから5–50°C/hrの冷却速度で結晶化実験をおこなった。また、組成・組織の圧力依存性を調べるために、3種類の水素分圧下で実験をおこなった (PH2=10, 1, 0.1 Pa)。実験生成物は、FE-SEM-EDSを用いて組織観察と定量分析、またSIMS (Cameca ims-1280HR, 北海道大学) を用いてメリライトとパイロキシンのマグネシウム同位体分析をおこなった。
実験後のすべてのサンプルは、質量減少を示し、主に比較的揮発性の高いMgとSiの蒸発が見られた。PH2=1及び10 Paの実験で得られた一部のサンプルでは、メルトの縁部がメリライトに富むものが観察され、天然のType B1 CAIで見られるメリライトマントルに似た組織を呈した。これらのメリライトの化学組成は、天然試料で見られるように (Wark and Lovering, 1982)、試料縁部でMg濃度が低く内側に向かってMg濃度が高くなっていた。このことから、これらのメリライトはメルト表面で核形成が起こり、内側に向かって結晶化したものであることが示唆された。また縁部のメリライトは出発組成のメルトから結晶化すると予想されるメリライトの組成 (~Åk20) よりもMgに乏しく(~Åk10)、このようなMgに乏しいメリライトは、よりMgとSiの濃度が低いメルトと平衡に結晶化する。
またメリライトマントルが十分に発達している試料のメリライトでは、試料の縁部で内部に比べて高いd25Mg値を示すことがわかった。これは、このメリライトの結晶化が、メルト中の原子拡散に律速された条件で表面からMg, Siの蒸発が起こっているメルト中で起こった結果であると考えられる。蒸発中のメルトの同位体分別は、蒸発速度と拡散速度の相対的な関係によって決定される。メルトの蒸発は水素中で促進されるが (Mendybaev et al., 2021)、メルト中の原子拡散はPH2には依存しないため、比較的高いP H2 (10 Paなど) 条件下では、蒸発が拡散による原子分布の均質化よりも速く起こることが予想される。その結果、CaとAlに富んだメルト表面から、Mgに乏しいメリライトが結晶化すると考えられる。この実験で見られたようなCAI縁部での重い同位体組成は、実際にいくつかの天然のCAIで報告されている (Goswami et al., 1994)。しかし、天然のCAIの中には縁部でより軽い同位体組成を示すものや、全体で均一な同位体組成を示すものも多い (e.g., Bullock et al., 2013)。このように天然のCAIに見られる多様な同位体的特徴は単純な蒸発のみでは説明し難いものの、タイプB1に見られるメリライトマントルは比較的高い水素圧条件でのメルト蒸発の結果として結晶化することが可能である。
実験は、SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, CaCO3粉末を1603°Cの太陽系ガスと平衡な凝縮物の組成比で混合したもの(Grossman et al., 2002) を、Ir線のループ (直径2.5 mm) 上で溶融、急冷した球状のガラス試料を出発物質とした。実験には真空炉を用い、1420°Cから5–50°C/hrの冷却速度で結晶化実験をおこなった。また、組成・組織の圧力依存性を調べるために、3種類の水素分圧下で実験をおこなった (PH2=10, 1, 0.1 Pa)。実験生成物は、FE-SEM-EDSを用いて組織観察と定量分析、またSIMS (Cameca ims-1280HR, 北海道大学) を用いてメリライトとパイロキシンのマグネシウム同位体分析をおこなった。
実験後のすべてのサンプルは、質量減少を示し、主に比較的揮発性の高いMgとSiの蒸発が見られた。PH2=1及び10 Paの実験で得られた一部のサンプルでは、メルトの縁部がメリライトに富むものが観察され、天然のType B1 CAIで見られるメリライトマントルに似た組織を呈した。これらのメリライトの化学組成は、天然試料で見られるように (Wark and Lovering, 1982)、試料縁部でMg濃度が低く内側に向かってMg濃度が高くなっていた。このことから、これらのメリライトはメルト表面で核形成が起こり、内側に向かって結晶化したものであることが示唆された。また縁部のメリライトは出発組成のメルトから結晶化すると予想されるメリライトの組成 (~Åk20) よりもMgに乏しく(~Åk10)、このようなMgに乏しいメリライトは、よりMgとSiの濃度が低いメルトと平衡に結晶化する。
またメリライトマントルが十分に発達している試料のメリライトでは、試料の縁部で内部に比べて高いd25Mg値を示すことがわかった。これは、このメリライトの結晶化が、メルト中の原子拡散に律速された条件で表面からMg, Siの蒸発が起こっているメルト中で起こった結果であると考えられる。蒸発中のメルトの同位体分別は、蒸発速度と拡散速度の相対的な関係によって決定される。メルトの蒸発は水素中で促進されるが (Mendybaev et al., 2021)、メルト中の原子拡散はPH2には依存しないため、比較的高いP H2 (10 Paなど) 条件下では、蒸発が拡散による原子分布の均質化よりも速く起こることが予想される。その結果、CaとAlに富んだメルト表面から、Mgに乏しいメリライトが結晶化すると考えられる。この実験で見られたようなCAI縁部での重い同位体組成は、実際にいくつかの天然のCAIで報告されている (Goswami et al., 1994)。しかし、天然のCAIの中には縁部でより軽い同位体組成を示すものや、全体で均一な同位体組成を示すものも多い (e.g., Bullock et al., 2013)。このように天然のCAIに見られる多様な同位体的特徴は単純な蒸発のみでは説明し難いものの、タイプB1に見られるメリライトマントルは比較的高い水素圧条件でのメルト蒸発の結果として結晶化することが可能である。