17:15 〜 19:15
[SCG54-P08] 海洋下部地殻の変質における鉱物置換と元素移動：斑れい岩と塩水を用いた流通式水熱実験からの知見
キーワード：斑れい岩、鉱物置換反応
中央海嶺では、海水が断層を通って地殻に侵入し、マグマの熱により熱水となっている。熱水が周囲の岩石と反応することで、Mg2+ や SO4- が除去され、Fe2+ や Cu2+ などの金属イオンが溶解する。有用金属を含んだ熱水は海底熱水噴出孔から放出され、海底熱水鉱床を形成するほか、海水組成にも影響を与える。
上部地殻を構成する多孔質な玄武岩に対し、はんれい岩は浸透率が低いため、熱水循環による岩石の変質がどの規模で起きているかはわかっていない。露出したオフィオライトでは、斑れい岩に由来する緑泥石岩が一般的に観察され、大規模な質量移動を伴う変質を示唆している(Yoshitake et al., 2009; Bucher and Stober, 2021)。既往の研究では玄武岩粉末を用いた水熱実験は数多く存在するが、はんれい岩と海水の反応実験はほとんどない。本研究では、斑れい岩-塩水系の流通式水熱実験を行うことで、海水中の各成分がどのような元素の溶脱・固定を起こすのか、またはんれい岩の緻密な組織中でどのように反応が進行するのかについて考察する。
出発物質は細粒のはんれい岩である。構成鉱物は主に斜長石と単斜輝石で、その他に鉄チタン酸化物、石英、カリ長石を含む。これを 2.5×2.5×10 mm の角柱状に切り出して岩石試料とした。反応溶液には NaCl 溶液 (0.5 M)、MgCl2-NaCl 溶液 (0.03 M MgCl2 + 0.5 M NaCl) 、FeCl2-NaCl 溶液 (0.03 M FeCl2 + 0.5 M NaCl) の 3 種類を用いた。岩石試料 3 個をアルミナチューブ内に固定し、300 °C 、25 MPa の条件で溶液と反応させた。流速は 0.2 mL/min 、実験期間は 72 時間である。
各実験における岩石試料と溶液との反応の様相は異なっていた。NaCl 溶液では、斜長石の選択的な溶解が見られ析出物は見られなかった。MgCl2-NaCl 溶液では斜長石が選択的に反応し Mg 緑泥石から成る網状の置換組織を形成した。FeCl2-NaCl 溶液では、斜長石と単斜輝石がともに反応し、斜長石は Fe 緑泥石から、単斜輝石は Fe 緑泥石とヘマタイトから成る網状の置換組織を形成した。反応後の溶液pH は NaCl 溶液で 8-9と最も高く、MgCl2-NaCl 溶液で 5.5 、FeCl2-NaCl 溶液で 3.7 と順に低い値であった。溶出元素に関しては、MgCl2-NaCl 溶液では Si、Ca が溶出する一方で、Fe は溶出しなかったが、FeCl2-NaCl 溶液では Si 、Ca に加え Mg が溶出した。また、全ての実験に共通して Al はほとんど溶出しなかった。
MgCl2-NaCl 溶液や FeCl2-NaCl 溶液で見られた置換反応に関してマスバランス計算を行うと、溶液組成と計算結果が一致するのは体積が 30-50 % 減少するときであり、網状の置換組織ははんれい岩-塩水反応に伴う元素移動によるものであると確かめられた。さらに、ソフトウェア CHIM-xpt を用いて今回の実験条件における各溶液とはんれい岩の反応の地化学モデリングを行った。それぞれの溶液で水-岩石比が 1000 以上の領域で緑泥石の析出が多くなり、MgCl2-NaCl 溶液ではクリノクロアが、FeCl2-NaCl 溶液ではダフナイトが析出することが確かめられた。
各溶液の pH ははんれい岩との反応によって変化する。NaCl 溶液では上昇するが、これは斜長石の溶解に伴い H+ が吸収されたことが要因であると考えられる。斜長石の溶解に加えて緑泥石が生成する場合、反応全体として H+ が放出されるため、MgCl2-NaCl 溶液と FeCl2-NaCl 溶液では pH が低下すると考えられる。このような pH の変化は斜長石の溶解速度に影響し、酸性条件では溶解が進みやすくなる。そのため、緑泥石化による pH の低下が斜長石の溶解を加速させ、緑泥石化を促進させる可能性がある。
オマーン・オフィオライトでははんれい岩の一部が数十 m スケールで緑泥石岩に変質している。境界部では単斜輝石のみが緑泥石化しており、緑泥石岩内部では斜長石も緑泥石に置換されていた。緑泥石は置換前の鉱物の外形を残しており、その組成は鉄に富むものであった (Mg# = 0.32-0.40)。実験結果と比較すると、オマーン・オフィオライトの緑泥石化は FeCl2-NaCl 溶液を用いた実験に類似し、鉄に富む流体が関与したと考えられる。
上部地殻を構成する多孔質な玄武岩に対し、はんれい岩は浸透率が低いため、熱水循環による岩石の変質がどの規模で起きているかはわかっていない。露出したオフィオライトでは、斑れい岩に由来する緑泥石岩が一般的に観察され、大規模な質量移動を伴う変質を示唆している(Yoshitake et al., 2009; Bucher and Stober, 2021)。既往の研究では玄武岩粉末を用いた水熱実験は数多く存在するが、はんれい岩と海水の反応実験はほとんどない。本研究では、斑れい岩-塩水系の流通式水熱実験を行うことで、海水中の各成分がどのような元素の溶脱・固定を起こすのか、またはんれい岩の緻密な組織中でどのように反応が進行するのかについて考察する。
出発物質は細粒のはんれい岩である。構成鉱物は主に斜長石と単斜輝石で、その他に鉄チタン酸化物、石英、カリ長石を含む。これを 2.5×2.5×10 mm の角柱状に切り出して岩石試料とした。反応溶液には NaCl 溶液 (0.5 M)、MgCl2-NaCl 溶液 (0.03 M MgCl2 + 0.5 M NaCl) 、FeCl2-NaCl 溶液 (0.03 M FeCl2 + 0.5 M NaCl) の 3 種類を用いた。岩石試料 3 個をアルミナチューブ内に固定し、300 °C 、25 MPa の条件で溶液と反応させた。流速は 0.2 mL/min 、実験期間は 72 時間である。
各実験における岩石試料と溶液との反応の様相は異なっていた。NaCl 溶液では、斜長石の選択的な溶解が見られ析出物は見られなかった。MgCl2-NaCl 溶液では斜長石が選択的に反応し Mg 緑泥石から成る網状の置換組織を形成した。FeCl2-NaCl 溶液では、斜長石と単斜輝石がともに反応し、斜長石は Fe 緑泥石から、単斜輝石は Fe 緑泥石とヘマタイトから成る網状の置換組織を形成した。反応後の溶液pH は NaCl 溶液で 8-9と最も高く、MgCl2-NaCl 溶液で 5.5 、FeCl2-NaCl 溶液で 3.7 と順に低い値であった。溶出元素に関しては、MgCl2-NaCl 溶液では Si、Ca が溶出する一方で、Fe は溶出しなかったが、FeCl2-NaCl 溶液では Si 、Ca に加え Mg が溶出した。また、全ての実験に共通して Al はほとんど溶出しなかった。
MgCl2-NaCl 溶液や FeCl2-NaCl 溶液で見られた置換反応に関してマスバランス計算を行うと、溶液組成と計算結果が一致するのは体積が 30-50 % 減少するときであり、網状の置換組織ははんれい岩-塩水反応に伴う元素移動によるものであると確かめられた。さらに、ソフトウェア CHIM-xpt を用いて今回の実験条件における各溶液とはんれい岩の反応の地化学モデリングを行った。それぞれの溶液で水-岩石比が 1000 以上の領域で緑泥石の析出が多くなり、MgCl2-NaCl 溶液ではクリノクロアが、FeCl2-NaCl 溶液ではダフナイトが析出することが確かめられた。
各溶液の pH ははんれい岩との反応によって変化する。NaCl 溶液では上昇するが、これは斜長石の溶解に伴い H+ が吸収されたことが要因であると考えられる。斜長石の溶解に加えて緑泥石が生成する場合、反応全体として H+ が放出されるため、MgCl2-NaCl 溶液と FeCl2-NaCl 溶液では pH が低下すると考えられる。このような pH の変化は斜長石の溶解速度に影響し、酸性条件では溶解が進みやすくなる。そのため、緑泥石化による pH の低下が斜長石の溶解を加速させ、緑泥石化を促進させる可能性がある。
オマーン・オフィオライトでははんれい岩の一部が数十 m スケールで緑泥石岩に変質している。境界部では単斜輝石のみが緑泥石化しており、緑泥石岩内部では斜長石も緑泥石に置換されていた。緑泥石は置換前の鉱物の外形を残しており、その組成は鉄に富むものであった (Mg# = 0.32-0.40)。実験結果と比較すると、オマーン・オフィオライトの緑泥石化は FeCl2-NaCl 溶液を用いた実験に類似し、鉄に富む流体が関与したと考えられる。