高圧下その場XAFS測定によるマグマオーシャンの酸化還元反応の検討

使用高压下原位 XAFS 测量检查岩浆海洋中的氧化还原反应

基本信息

批准号：
20J21667
负责人：
小澤佳祐
金额：
$ 2.18万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J21667/
关键词：
高圧地球科学ダイヤモンドアンビルセル XAFS法

项目摘要

これまで、X線吸収分光法(XAFS法)による高圧条件での構造解析の研究はあまり行われていなかった。特に、高圧下試料中の微量元素を対象にしたXAFS法による構造解析の先行研究はほとんどなかった。その一番の原因として、圧力発生装置をはじめとする試料以外の物質にX線を大幅に吸収されてしまう問題が挙げられる。この問題点を解決するために、本研究では従来の高圧試料のXAFS測定とは異なるレイアウトでの測定方法を確立し、その結果、試料以外によるX線の吸収を抑えることが可能になった。この手法を利用して、マグマのアナログ物質であるケイ酸塩ガラス中のタングステンおよび鉄の化学状態および局所構造の解析を行った。その結果、ケイ酸塩ガラス中のタングステンは、ケイ酸塩ガラスの主成分であるケイ素の配位数増加挙動と類似する圧縮挙動を示した。ケイ酸塩ガラスおよびマグマ中でこのタングステンの配位数増加が起こることで、タングステンの液体金属鉄-マグマ間の分配挙動が5GPa付近で変化する原因を説明することができる。さらに、高圧試料のXAFS測定によってケイ酸塩ガラス中の二価鉄および三価鉄の配位数および化学状態変化の測定を行った。その結果、下部マントル中腹の圧力よりも低圧条件ではどちらの酸化数もスピン転移を起こさないことが確認された。加えて、15GPa以下の圧力領域では、二価鉄に比べて三価鉄の方が配位数増加が大きく、効率的に圧縮されることが確認された。この圧縮性の違いは、先行研究によって報告されている高圧下マグマ中で二価鉄が金属鉄と三価鉄に不均化反応を駆動するメカニズムであると考えられる。

迄今为止，利用X射线吸收光谱法（XAFS法）进行高压条件下的结构分析的研究还很少。特别是，以前很少有利用 XAFS 方法对高压下样品中微量元素进行结构分析的研究。其主要原因是X射线大部分被样品以外的材料吸收，包括压力发生器。为了解决这个问题，本研究建立了一种与高压样品的传统XAFS测量不同的布局的测量方法，结果可以抑制样品以外的物体对X射线的吸收。利用这种方法，我们分析了硅酸盐玻璃（类似于岩浆）中钨和铁的化学状态和局部结构。结果，硅酸盐玻璃中的钨表现出类似于硅酸盐玻璃的主要成分硅的配位数增加行为的压缩行为。硅酸盐玻璃和岩浆中钨配位数的增加可以解释为什么钨在液态金属铁和岩浆之间的分布行为在5 GPa左右发生变化。此外，通过XAFS测量高压样品，测量了硅酸盐玻璃中二价铁和三价铁的配位数和化学态变化。结果证实，在低于下地幔中部压力的压力条件下，两种氧化数都不会引起自旋跃迁。另外，已确认在低于15GPa的压力区域中，三价铁比二价铁增加更多的配位数，并且更有效地压缩。这种压缩性的差异被认为是在高压下驱动岩浆中二价铁发生歧化反应生成金属铁和三价铁的机制，这在之前的研究中已有报道。