初期地球熱水系におけるクロマイト由来の水素・炭化水素発生量の定量

早期地热系统中源自铬铁矿的氢和碳氢化合物含量的量化

基本信息

批准号：
18J13973
负责人：
上田修裕
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

現在の蛇紋岩熱水環境において、高濃度H2やメタンを含んだ熱水が供給されている。CO2とH2からのメタン生成を促進する物質として金属触媒（FeやNi）や酸化鉱物（スピネル系）が候補として挙げられる。特に天然の蛇紋岩体に普遍的に存在する酸化鉱物はメタン生成触媒として注目されている。そこで本研究では、その中でも一般的に蛇紋岩中に見られるクロムスピネルを用いCO2を炭素源とした無機的なメタン合成量を定量するために、熱水変質実験を行った。予備実験として行った実験では、天然のクロミタイトをそのまま使用した。クロミタイトにはクロムスピネル以外の鉱物が数％程度混入しているために、クロムスピネルによる効果のみを検証するために不適当である。そこで、比重の違いを利用して他の鉱物を排除し、クロムスピネルを濃集させた粉末を本実験に使用した。また、同位体比ラベリングをしたCO2を炭素源として使用し、有機物の熱分解由来の炭化水素生成との区別を可能にした。これにより、発生したメタンがCO2起源か、混入した有機物の分解起源かどうかを議論可能にした。300℃、50MPaにおいて高CO2濃度・低H2濃度（実験1）、低CO2濃度・高H2濃度（実験2）という条件下で模擬海水とクロムスピネルを反応させる実験を行った。実験1ではメタンの生成が観測されず、実験2の方では確認された。生成したメタン分子の炭素同位体比は導入したCO2のそれとほぼ同等であった。そのため、CO2から無機的にメタンが生成したことが明らかになった。以上より、クロムスピネルはCO2を炭素源としたメタン生成に寄与することを示した。このことは現在の蛇紋岩熱水系で供給される熱水の高濃度メタンの起源を説明できる可能性がある。さらに初期地球環境でも超塩基性岩中に多くのクロムスピネルが含まれているため、その当時でもメタンが熱水から供給されていた可能性を示唆する。

在目前的蛇纹岩热液环境中，供应含有高浓度H2和甲烷的热水。金属催化剂（铁和镍）和氧化物矿物（尖晶石基）是促进二氧化碳和氢气生产甲烷的候选物质。特别是，天然蛇纹岩体中常见的氧化矿物作为甲烷生产的催化剂而引起人们的关注。因此，在本研究中，我们利用蛇纹岩中常见的铬尖晶石进行了热液蚀变实验，以量化以CO2为碳源的无机甲烷合成量。在初步实验中，直接使用天然铬铁矿。由于铬铁矿中含有百分之几的铬尖晶石以外的矿物，因此仅验证铬尖晶石的效果是不合适的。因此，我们利用比重的差异排除其他矿物，在本实验中使用了浓缩铬尖晶石的粉末。此外，采用同位素标记的CO2作为碳源，使其能够与有机物热分解产生的碳氢化合物区分开来。这使得讨论产生的甲烷是否源自二氧化碳或混合有机物的分解成为可能。我们进行了模拟海水与铬尖晶石在300℃、50MPa、高CO2浓度、低H2浓度（实验1）和低CO2浓度、高H2浓度（实验2）条件下反应的实验。实验 1 中未观察到甲烷产生，但在实验 2 中得到证实。产生的甲烷分子的碳同位素比率与引入的CO2的碳同位素比率几乎相同。因此，很明显甲烷是由二氧化碳无机产生的。上述结果表明，铬尖晶石有助于利用CO2作为碳源生产甲烷。这可以解释当前蛇纹岩热液系统供应的热液中甲烷浓度高的来源。此外，早期地球环境中的超镁铁质岩石含有大量铬尖晶石，这表明即使在那时，甲烷也可能是由热液提供的。