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

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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。