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．

该研究主题的目的是阐明早期太阳系中硫化铁形成的过程和速度。但是，尚不完全了解早期阳光的原星盘（是硫化铁形成的位置）中经历了哪种热过程固体颗粒（灰尘），或者首先存在该元素Fe的形式。另一方面，从对陨石的观察中，FE的大部分可能存在于无定形硅酸盐灰尘的结构中。因此，今年为了限制磁盘中可能存在的粉尘的温度条件，我们研究了一个实验，以交换在H2+H2O大气中含有Fe的无定形二氧化硅纳米颗粒的氧同位素，以重现磁盘气体。在330-380°C的温度下，在H2O部分压〜0.06 PA和H2/H2O〜300的条件下进行了氧同位素交换实验。加热样品的氧同位素组成表明，富含18o的H2O气体和无定形的硅酸盐之间的氧同位素汇率比没有FE的无定形硅酸盐的氧气可以进展约2-3个数量级。因此，在其结构中含有Fe的无定形硅酸盐所需的温度下限，并在消失的圆盘气体消失之前，具有太阳能16o贫困的氧同位素组成，以进化为陆地16o丰富的组成，甚至在没有FE的情况下都低于非态硅酸盐。这种氧同位素汇率总是比结晶速率快，并且可能不会因结晶而阻碍氧同位素交换。因此，不能否认椎间盘中的大部分Fe是在无定形硅酸盐中发现的。此外，为了准备硫化铁的形成实验，我们对初始材料，铁粉进行了电子显微镜观察，并采购了AR+H2S的混合气体，这是一种反应气体。此外，对气体引入系统进行了修改，以允许以适当的流量比将H2气体和AR+H2S混合气体引入真空炉中，并在明年的金属铁的硫化实验开始时完成了准备工作。