Research on the fractionation process of moderately volatile elements in the early Solar System based on iron sulfide formation experiments

基于硫化铁形成实验的早期太阳系中挥发性元素分馏过程研究

• 批准号: 22KJ0568
• 负责人: 櫻井 亮輔
• 金额: $ 1.41万
• 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: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0568/
• 关键词: 原始惑星系円盤; 初期太陽系; 円盤ダスト; 化学反応速度論; 鉄; 硫黄

本研究課題の目的は，初期太陽系における硫化鉄形成過程および速度の解明である．しかし，その硫化鉄形成の場である初期太陽の原始惑星系円盤において，固体微粒子 (ダスト) がどのような熱過程を経験したのか，あるいはそもそもFeという元素がどのような形態で存在していたのかということは十分には理解されていない．一方で，隕石の観察事実などから，Feの多くは非晶質ケイ酸塩ダストの構造中に存在していた可能性がある．そこで，本年度はそうしたダストが円盤に存在しうる温度条件を制約すべく，円盤ガスを再現したH2+H2O雰囲気下におけるFeを含む非晶質ケイ酸ナノ粒子の酸素同位体交換実験に取り組んだ．H2O分圧~0.06 Pa，H2/H2O~300の条件で，温度を330-380°Cの範囲で酸素同位体交換実験を行った．加熱試料の酸素同位体組成から，18Oに富むH2Oガスと非晶質ケイ酸間の酸素同位体交換速度は，Feを含まない非晶質ケイ酸塩より2-3桁程度速く進行する可能性があることがわかった．したがって，構造中にFeを含み，太陽型の16Oに乏しい酸素同位体組成をもつ非晶質ケイ酸塩が，円盤ガスの消失より先に地球型の16Oに富む組成へと進化するために必要な温度の下限値は，Feを含まない非晶質ケイ酸塩に比べてさらに低いと予想される．この酸素同位体交換速度はつねに結晶化速度よりも速く，酸素同位体交換が結晶化により妨げられない可能性がある．したがって，円盤におけるFeの多くが非晶質ケイ酸塩に含まれていたことは否定できない．また，硫化鉄形成実験の準備として，出発物質である鉄粉末の電子顕微鏡観察および，反応ガスである Ar+H2S 混合ガスの調達を行った．さらに真空炉へH2ガスおよびAr+H2S混合ガスを適当な流量比で導入できるようガス導入系を改造し，次年度に金属鉄の硫化実験に着手するための準備を完了した．

该研究项目的目的是阐明早期太阳系中硫化铁形成的过程和速率。然而，目前还不清楚固体颗粒（尘埃）在形成硫化铁的早期太阳原行星盘中经历了什么样的热过程，也不清楚元素铁最初以什么形式存在。那另一方面，对陨石的观察表明，大部分铁可能存在于无定形硅酸盐尘埃的结构中。因此，今年，为了限制此类灰尘可以存在于盘中的温度条件，我们在模拟盘气体的H2+H2O气氛中进行了含Fe的非晶硅酸盐纳米粒子的氧同位素交换实验。氧同位素交换实验在330-380℃的温度范围、H2O分压~0.06 Pa、H2/H2O~300的条件下进行。根据加热样品的氧同位素组成，富含 18O 的 H2O 气体与无定形硅酸之间的氧同位素交换速率可能比不含 Fe 的无定形硅酸盐快两到三个数量级。确实有。因此，在盘状气体消失之前，其结构中含有Fe且具有太阳型贫16O氧同位素组成的无定形硅酸盐需要演化为地球型富16O组成，预计温度的下限。甚至低于不含 Fe 的无定形硅酸盐。该氧同位素交换速率总是快于结晶速率，并且氧同位素交换可能不受结晶阻碍。因此，不能否认盘中的大部分 Fe 都包含在无定形硅酸盐中。此外，在准备硫化铁形成实验时，我们使用电子显微镜观察了原料铁粉，并采购了Ar+H2S混合气体作为反应气体。此外，我们还修改了气体引入系统，将H2气体和Ar+H2S混合气体以适当的流量引入真空炉中，并完成了明年开始金属铁硫化实验的准备工作。