講演情報
[T1-O-5]高圧変成岩及び蛇紋岩と平衡な水流体の化学的性質に関する熱力学的考察
*辻森 樹1、福島 諒1 (1. 東北大学)
キーワード：
沈み込み帯、水流体、蛇紋岩、高圧変成岩、相平衡モデリング
水流体の化学的性質 (溶存化学種、溶解特性) の理解が増すことで、沈み込み帯流体の化学種分化やpH変化を予測できるようになる。高圧変成岩の相平衡モデリングにおいて、水流体中の化学的性質まで計算に考慮することで、沈み込み帯の水流体が関与する元素循環についての確からしい議論を導くことができる (例えば、Galvez et al., 2016)。化学的性質の熱力学的予測は、特定の温度圧力条件に固有の元素移動や交代作用の理解だけでなく、流体のpHに依存したホウ素などの軽元素の同位体分別に関する岩石記録の解釈に不可欠である。しかしながら、流体の溶存化学種や溶解特性に関するデータはまだ不完全であり、新しい実験が必要とされる (例えば、Takahashi et al., 2022; Takahashi et al., in revision)。
我々は、変成岩と平衡な水流体の化学的性質に関する基礎データが不完全であることを前提としつつも、サブソリダスかつ沈み込み帯中深部条件に対し適用可能なデータセット(DEW17: Sverjensky et al., 2014) と Perple_X v7.1.5 を用いた相平衡モデリング (Simple back-calculated electrolyte speciation) を行うことで、温度圧力条件 P= 0.5–2.5 GPa, T= 300–600°C における高圧変成岩と平衡な水流体の化学的性質を計算した。そして、その結果が天然の岩石が記録する情報と調和的かどうか検討した。本講演では、DMM+H2O系 (NCFMASHO: Hacker, 2008 [XFe3+ 〜0.2]) および NMORB+H2O系 (NCKFMASHO: Hernández-Uribe and Tsujimori, 2023) の水流体の化学的性質についての計算結果を紹介する。
DMM+H2O系において仮想蛇紋岩と平衡な水流体に溶存する Na2O量は〜400°C以下の温度で増大し、〜1.7 GPa 以上の圧力で SiO2量が急増する。水流体に溶存する Al2O3量は〜560–580°C、〜1.8–2.3 GPa で極大を示す。pHについては、Galvez et al. (2016) が示した結果と調和的であり、低温低圧側で高アルカリの傾向を示す。NMORB+H2O系の仮想変成玄武岩と平衡な水流体については、溶存する Na2O, SiO2, Al2O3, K2O量の増減はそれぞれ独立した傾向を示す。本講演では、得られた特徴がどのような天然の現象・観察 (高圧変成岩や蛇紋岩に伴う交代岩・交代脈、前弧域蛇紋岩のホウ素同位体比傾向など) と調和的、あるいは矛盾するかについて議論する。
引用文献
- Galvez, M.E., Connolly, J.A.D., Manning, C.E. (2016) Implications for metal and volatile cycles from the pH of subduction zone fluids. Nature 539, 420–424.
- Hacker, B.R. (2008) H2O subduction beyond arcs. Geochem. Geophys. Geosyst. 9, Q03001.
- Hernández-Uribe, D., Tsujimori T. (2023) Progressive lawsonite eclogitization of the oceanic crust: Implications for deep mass transfer in subduction zones. Geology 51, 678–682.
- Sverjensky, D.A., Harrison, B., Azzolini, D. (2014) Water in the deep Earth: The dielectric constant and the solubilities of quartz and corundum to 60 kb and 1200°C. Geochim. Cosmochim. Acta 129, 125–145.
- Takahashi, N., Tsujimori, T., Kamada, S., Nakamura, M. (2022) In-situ Raman spectroscopic analysis of dissolved silica structures in Na2CO3 and NaOH solutions at high pressure and temperature. Contrib. Mineral. Petrol. 177, 36.
- Takahashi, N., Tsujimori, T., Kamada, S., Nakamura, M. Rutile solubility in aqueous sodium salt solutions at high pressures and high temperatures: in-situ observation using a diamond anvil cell. Prog. Earth Planet. Sci., in revision.
我々は、変成岩と平衡な水流体の化学的性質に関する基礎データが不完全であることを前提としつつも、サブソリダスかつ沈み込み帯中深部条件に対し適用可能なデータセット(DEW17: Sverjensky et al., 2014) と Perple_X v7.1.5 を用いた相平衡モデリング (Simple back-calculated electrolyte speciation) を行うことで、温度圧力条件 P= 0.5–2.5 GPa, T= 300–600°C における高圧変成岩と平衡な水流体の化学的性質を計算した。そして、その結果が天然の岩石が記録する情報と調和的かどうか検討した。本講演では、DMM+H2O系 (NCFMASHO: Hacker, 2008 [XFe3+ 〜0.2]) および NMORB+H2O系 (NCKFMASHO: Hernández-Uribe and Tsujimori, 2023) の水流体の化学的性質についての計算結果を紹介する。
DMM+H2O系において仮想蛇紋岩と平衡な水流体に溶存する Na2O量は〜400°C以下の温度で増大し、〜1.7 GPa 以上の圧力で SiO2量が急増する。水流体に溶存する Al2O3量は〜560–580°C、〜1.8–2.3 GPa で極大を示す。pHについては、Galvez et al. (2016) が示した結果と調和的であり、低温低圧側で高アルカリの傾向を示す。NMORB+H2O系の仮想変成玄武岩と平衡な水流体については、溶存する Na2O, SiO2, Al2O3, K2O量の増減はそれぞれ独立した傾向を示す。本講演では、得られた特徴がどのような天然の現象・観察 (高圧変成岩や蛇紋岩に伴う交代岩・交代脈、前弧域蛇紋岩のホウ素同位体比傾向など) と調和的、あるいは矛盾するかについて議論する。
引用文献
- Galvez, M.E., Connolly, J.A.D., Manning, C.E. (2016) Implications for metal and volatile cycles from the pH of subduction zone fluids. Nature 539, 420–424.
- Hacker, B.R. (2008) H2O subduction beyond arcs. Geochem. Geophys. Geosyst. 9, Q03001.
- Hernández-Uribe, D., Tsujimori T. (2023) Progressive lawsonite eclogitization of the oceanic crust: Implications for deep mass transfer in subduction zones. Geology 51, 678–682.
- Sverjensky, D.A., Harrison, B., Azzolini, D. (2014) Water in the deep Earth: The dielectric constant and the solubilities of quartz and corundum to 60 kb and 1200°C. Geochim. Cosmochim. Acta 129, 125–145.
- Takahashi, N., Tsujimori, T., Kamada, S., Nakamura, M. (2022) In-situ Raman spectroscopic analysis of dissolved silica structures in Na2CO3 and NaOH solutions at high pressure and temperature. Contrib. Mineral. Petrol. 177, 36.
- Takahashi, N., Tsujimori, T., Kamada, S., Nakamura, M. Rutile solubility in aqueous sodium salt solutions at high pressures and high temperatures: in-situ observation using a diamond anvil cell. Prog. Earth Planet. Sci., in revision.
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