[S-CG62] [EE] 変動帯ダイナミクス

[SCG62-P30] 高圧・高温における塩水の見かけの誘電率：予報

*星野 健一¹、盛田 唯花 (1.広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻)

キーワード：誘電率、塩水、水ー岩石相互作用

地殻流体は一般に，水−塩（−ガス成分）の混合流体であろう。このような混合溶媒中と水溶媒中の溶質jの化学ポテンシャルの差（Dµ^o_j）は，
　　Dµ^o_j = ω_j (1/ε_m - 1/ε_w)，
と示される。ここで，ω_jは溶質jのボルン係数で，ε_mとε_wはそれぞれ混合溶媒と水の誘電率である。従って，溶媒の誘電率は，溶媒の化学的性質を決定する鍵となる。言い換えると，混合溶媒の誘電率がわかれば，例えばSUPCRT92などから得られる水溶媒中の溶質の熱力学的状態量から，混合溶媒中のそれらを求めることができる。
　これまでの高圧・高温における石英の溶解度測定実験では，H₂O-NaCl系溶媒中の溶解度が水に比べて高い場合（塩溶）と低い場合（塩析）があることが示されてきた。この効果は，上式で示されるSiの主要な溶存種であるSiO_2(aq)のH₂O-NaCl系溶媒と水溶媒中の化学ポテンシャルの差で説明できるであろう。即ち，塩溶が生じる場合はH₂O-NaCl系溶媒の誘電率が水より大きく，塩析の場合はその逆であるはずである。圧が50 - 200 MPa，温度が200 - 550℃の範囲で，NaClモル濃度が0.5 - 1.6程度のH₂O-NaCl系溶媒中の上記溶解度のほとんどは，水溶媒中のそれより高い，即ち，塩溶が生じている。
　これらの実験データと，低温（＜50℃）のH₂O-NaCl系溶媒で提唱されている誘電率を用いて，圧が50 - 200 MPa，温度が25 - 550℃の範囲の1モルNaCl溶媒の見かけの誘電率（ε_b）と水の誘電率（ε_w）の比を求めた。
　　ε_b / ε_w = a / (2 pi b)^0.5 exp(- (T - c)² / (2 b)) + d，
ここで，piは円周率，Tは絶対温度で，a，b，cおよびdはそれぞれ定数で，300，13000，573および0.8であり，上記の範囲では圧に依存しない。この式が示すように，塩溶効果は300℃付近で最も大きくなり，100℃と500℃付近で効果は消滅する。
　これを用いて，100 MP 定圧で，500℃から200℃まで温度が降下する場合の，石英に飽和した水溶媒と1モルNaCl溶媒からの温度25℃降下当たりの石英の沈殿量を求めた。その結果，水溶媒の場合では400℃（425℃から400℃に降下）で最も沈殿量が大きいが，その量は475℃の場合より30％ほど大きいに過ぎない。これに対して1モルNaCl溶媒の場合では，350℃付近で最も大きく，475℃の場合の約9倍にも上る。
　予察的な解析ではあるが，この結果は，地殻流体が塩水の場合には，裂かの充填や熱水変質などの塩水ｰ岩石相互作用が，350℃付近で著しく進展することを示している。