14:30 〜 14:45
[PPS08-16] 原始太陽系円盤を模した環境下で結晶化するファッサイトのチタン酸化還元状態に関する実験的研究
キーワード：難揮発性包有物、ファッサイト (輝石)、チタン、メルト-ガス相互作用、酸化還元状態、原始太陽系円盤
Ca, Alに富む難揮発性包有物CAIには、原始太陽系円盤での溶融を経験したものがある (e.g., Grossman, 1972). 溶融起源Type B CAI中のファッサイトは、チタンに富む輝石であり、4成分系固溶体である (e.g., Simon et al., 1991)。ファッサイト中のチタンは3価の割合が極めて高いことから (Ti3+/Titot. < ~0.8)、ファッサイトが還元的な円盤ガスに晒されたメルトから結晶化した可能性が示唆される (e.g., Grossman et al., 2006)。Type B CAIファッサイト中のチタンの価数とその分布は、再加熱溶融時の円盤ガスの酸化還元状態、全圧、冷却率などの様々な要因に左右されるが、これらの条件がファッサイトの化学組成に及ぼす影響については十分に理解されていない。
本研究では、ファッサイト化学組成に及ぼすガス-メルト相互組成の影響を調べるため、真空高温加熱炉を用いて、全圧 (Ptot.) 2.5 PaのH2ガス及びH2-H2O混合ガス (H2/H2O比 ~ 413) 存在下での、CAI模擬物質の溶融結晶化実験をおこなった。本研究の出発物質 (以降、CAIχ-HTと呼ぶ) の組成は、火成CAIの前駆物質の一つされるGrossman et al. (2002) のχ組成に類似させた。空気中で予め溶融急冷した球形の出発物質を、上記ガス環境下で最高温度1450°Cにおいて1–3時間等温加熱した後、1100°Cまで5, 50°C h–1の速度で冷却した。加熱後物質は、九州大学のFE-EPMA-WDS (JEOL JA-8530F) を用いた化学組成分析、およびチタン価数比の解析をおこなった。本研究では更に、全圧や冷却率がチタン酸化還元状態に与える影響を調べるために、Kamibayashi (2021) で合成されたCAIδ組成 (χ組成よりもMg, Siに富む) を出発組成として、水素圧 (PH2) = 0.1, 1, 10 Pa中で冷却率 (Rc) 5, 50°C h–1で合成させた試料に関しても、同様に化学組成分析およびチタン価数比解析をおこなった。
CAIχ-HT組成に関して、5°C h–1の試料では、H2-H2O混合ガス中での加熱試料では、ファッサイトの組成は2Al3+= Mg2+ + Si4+置換に起因するMgOとAl2O3濃度の良好な逆相関が観察されたのに対して、H2ガス中での加熱試料では、チタンに富むファッサイトにおいてMgに乏しい領域に異なる傾向が観察された。チタン3価が4価に対して結晶に取り込まれやすく (Beckett, 1986)、チタン3価はMg2+ + Si4+と置換することを考慮すると、この結果は還元的なH2ガス中でチタン4価から3価への還元反応が進行したことを示唆する。実際に、この推測は輝石の化学量論に基づいて計算された (Beckett, 1986) Ti3+/Titot.比から支持される。H2ガス中での加熱後物質では、Ti3+/Titot.比は高濃度チタンのファッサイトにおいて~0.6–0.8の値を示し、これは天然Type B CAIと類似する。一方で、H2-H2O混合ガスでの加熱後物質では、最高温度での加熱時間に関わらず、Ti3+/Titot.比の値は~0.3を下回っていた。このことは、天然Type B CAIのファッサイト結晶化初期において、メルト-ガス間のチタン酸化還元平衡が達成されていた場合には、CAI溶融加熱時の円盤ガスが、本研究で検証したガス酸化還元状態よりも還元的であることを示唆する。
CAIδの分析結果から検証した、全圧や冷却率がチタン酸化還元状態に与える影響に関して、PH2 = 0.1 Paでは、チタンのほとんどが4価であった。一方、PH2 = 10 Paでは、Ti3+/Titot.比は最大~0.6–0.8の値を示す。中間的な圧力のPH2 = 1 Paでは、50°C h–1では、Ti3+/Titot.比は~0.2より低い値を示す一方、5°C h–1では、チタンはより還元的であった(Ti3+/Titot. <~0.7)。いくつかの天然Type B CAIにおいては、ファッサイト結晶化が進行してもTi3+/Titot.比が一定に保たれるものが観察され、このことはファッサイト結晶化速度に対して円盤ガスによるメルト中のチタン4価から3価への還元反応の速度が圧倒的に速く進行することを示している。本研究の結果は、メルト中のチタン還元反応を結晶化より速く進行させるためには、そのようなType B CAIは、周囲の円盤ガスとコンタクトを取りながら、高圧の還元的円盤ガス中において低冷却速度で結晶化したものである可能性を示唆する。
本研究では、ファッサイト化学組成に及ぼすガス-メルト相互組成の影響を調べるため、真空高温加熱炉を用いて、全圧 (Ptot.) 2.5 PaのH2ガス及びH2-H2O混合ガス (H2/H2O比 ~ 413) 存在下での、CAI模擬物質の溶融結晶化実験をおこなった。本研究の出発物質 (以降、CAIχ-HTと呼ぶ) の組成は、火成CAIの前駆物質の一つされるGrossman et al. (2002) のχ組成に類似させた。空気中で予め溶融急冷した球形の出発物質を、上記ガス環境下で最高温度1450°Cにおいて1–3時間等温加熱した後、1100°Cまで5, 50°C h–1の速度で冷却した。加熱後物質は、九州大学のFE-EPMA-WDS (JEOL JA-8530F) を用いた化学組成分析、およびチタン価数比の解析をおこなった。本研究では更に、全圧や冷却率がチタン酸化還元状態に与える影響を調べるために、Kamibayashi (2021) で合成されたCAIδ組成 (χ組成よりもMg, Siに富む) を出発組成として、水素圧 (PH2) = 0.1, 1, 10 Pa中で冷却率 (Rc) 5, 50°C h–1で合成させた試料に関しても、同様に化学組成分析およびチタン価数比解析をおこなった。
CAIχ-HT組成に関して、5°C h–1の試料では、H2-H2O混合ガス中での加熱試料では、ファッサイトの組成は2Al3+= Mg2+ + Si4+置換に起因するMgOとAl2O3濃度の良好な逆相関が観察されたのに対して、H2ガス中での加熱試料では、チタンに富むファッサイトにおいてMgに乏しい領域に異なる傾向が観察された。チタン3価が4価に対して結晶に取り込まれやすく (Beckett, 1986)、チタン3価はMg2+ + Si4+と置換することを考慮すると、この結果は還元的なH2ガス中でチタン4価から3価への還元反応が進行したことを示唆する。実際に、この推測は輝石の化学量論に基づいて計算された (Beckett, 1986) Ti3+/Titot.比から支持される。H2ガス中での加熱後物質では、Ti3+/Titot.比は高濃度チタンのファッサイトにおいて~0.6–0.8の値を示し、これは天然Type B CAIと類似する。一方で、H2-H2O混合ガスでの加熱後物質では、最高温度での加熱時間に関わらず、Ti3+/Titot.比の値は~0.3を下回っていた。このことは、天然Type B CAIのファッサイト結晶化初期において、メルト-ガス間のチタン酸化還元平衡が達成されていた場合には、CAI溶融加熱時の円盤ガスが、本研究で検証したガス酸化還元状態よりも還元的であることを示唆する。
CAIδの分析結果から検証した、全圧や冷却率がチタン酸化還元状態に与える影響に関して、PH2 = 0.1 Paでは、チタンのほとんどが4価であった。一方、PH2 = 10 Paでは、Ti3+/Titot.比は最大~0.6–0.8の値を示す。中間的な圧力のPH2 = 1 Paでは、50°C h–1では、Ti3+/Titot.比は~0.2より低い値を示す一方、5°C h–1では、チタンはより還元的であった(Ti3+/Titot. <~0.7)。いくつかの天然Type B CAIにおいては、ファッサイト結晶化が進行してもTi3+/Titot.比が一定に保たれるものが観察され、このことはファッサイト結晶化速度に対して円盤ガスによるメルト中のチタン4価から3価への還元反応の速度が圧倒的に速く進行することを示している。本研究の結果は、メルト中のチタン還元反応を結晶化より速く進行させるためには、そのようなType B CAIは、周囲の円盤ガスとコンタクトを取りながら、高圧の還元的円盤ガス中において低冷却速度で結晶化したものである可能性を示唆する。