地球最深部炭素循環の探索：最下部マントルにおける炭素含有相の実験的研究

地球内部に沈み込んだMgCO3は海洋プレート内部の酸化的環境において、深部炭素のホストとなりうる。一方、平均的な下部マントル内部では、還元的環境が実現しているため、炭酸塩鉱物がダイヤモンドや鉄炭化物（Fe3C、Fe7C3）へと変化する可能性が指摘されている。しかしながら、下部マントル深部の圧力温度および酸素フガシティ（fO2）条件下において、炭酸塩鉱物の安定性を調べた研究例は存在せず、下部マントル内部における炭素循環の制約はなされていない。本研究では、下部マントル深部の圧力-温度-fO2環境を再現し、MgCO3の安定性を実験的に観測した。下部マントルの温度圧力条件は、レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル（LHDAC）を用いて再現した。本研究では、マグネシウム炭酸塩試料を微細な鉄カプセル（直径約15 μm）に封入してレーザー加熱を行うことにより、温度勾配を低減し、均質なfO2条件を再現することを目指した。反応生成相は、放射光X線回折法（XRD）および透過型電子顕微鏡（TEM/EDS）を併用して同定した。圧力123 GPa、温度1720-2510 Kにおける実験の結果、MgCO3の還元によるダイヤモンドもしくは鉄炭化物の生成は、120 GPa未満の圧力ではlogfO2(ΔIW)>0で、120 GPa付近の圧力ではlogfO2(ΔIW)~0の条件で生じることがわかった。下部マントルの酸素フガシティは、鉄の不均化反応によって－1.5～0程度のlogfO2(ΔIW)に保たれるとされている。このため、120 GPa以上すなわち深さ2700 km以深に沈み込んだ海洋プレート周辺の最下部マントルにおいては、MgCO3が安定となりうる。炭酸塩が最下部マントルに存在した場合、共融系をつくり岩石の融点を下げるため、炭酸塩に起因する熔融が起こりうる。

地球内部に沈み込んだMgCO3は海洋プレート内部の酸化的環境において、深部炭素のホストとなりうる。一方、平均的な下部マントル内部では、還元的環境が実現しているため、炭酸塩鉱物がダイヤモンドや鉄炭化物（Fe3C、Fe7C3）へと変化する可能性が指摘されている。しかしながら、下部マントル深部の圧力温度および酸素フガシティ（fO2）条件下において、炭酸塩鉱物の安定性を調べた研究例は存在せず、下部マントル内部における炭素循環の制約はなされていない。本研究では、下部マントル深部の圧力-温度-fO2環境を再現し、MgCO3の安定性を実験的に観測した。下部マントルの温度圧力条件は、レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル（LHDAC）を用いて再現した。本研究では、マグネシウム炭酸塩試料を微細な鉄カプセル（直径約15 μm）に封入してレーザー加熱を行うことにより、温度勾配を低減し、均質なfO2条件を再現することを目指した。反応生成相は、放射光X線回折法（XRD）および透過型電子顕微鏡（TEM/EDS）を併用して同定した。圧力123 GPa、温度1720-2510 Kにおける実験の結果、MgCO3の還元によるダイヤモンドもしくは鉄炭化物の生成は、120 GPa未満の圧力ではlogfO2(ΔIW)>0で、120 GPa付近の圧力ではlogfO2(ΔIW)~0の条件で生じることがわかった。下部マントルの酸素フガシティは、鉄の不均化反応によって－1.5～0程度のlogfO2(ΔIW)に保たれるとされている。このため、120 GPa以上すなわち深さ2700 km以深に沈み込んだ海洋プレート周辺の最下部マントルにおいては、MgCO3が安定となりうる。炭酸塩が最下部マントルに存在した場合、共融系をつくり岩石の融点を下げるため、炭酸塩に起因する熔融が起こりうる。