単斜輝石温度圧力測定

単斜輝石温度圧力測定法は、単斜輝石鉱物を用いて、鉱物が結晶化した際のマグマの温度と圧力を測定する科学的手法です。単斜輝石は多くの火成岩に含まれるため、この手法を用いることで岩石全体の情報を得ることができます。地質温度圧力測定には様々な鉱物が使用できますが、単斜輝石は火成岩によく見られる斑晶であり、識別が容易であることから特に有用です。また、単斜輝石の一種である翡翠の結晶化はモル体積の増加を示すため、圧力の優れた指標となります。^[¹^]

この技術によって得られるデータは、マグマ結晶化、順行変成作用と逆行変成作用、そして鉱床形成を理解するために用いられます。^{[ 2 ]}これらのプロセスを理解することは、科学界だけでなく産業界にも役立ちます。このデータを用いることで、リソスフェアの組成に関する情報をより詳細に推定することができ、ダイヤモンド探査業界ではキンバーライトにダイヤモンドが含まれる確率を判断できます。^{[ 3 ]}

方法

熱圧力測定法は、平衡定数を用いて岩石形成時の環境条件に関する情報を計算します。^{[ 2 ]}岩石は形成される過程で周囲の元素と反応し、最終的に不活性になるまで十分に冷却されます。岩石中の各鉱物はそれぞれ異なる時点で冷却され結晶化します。岩石生成グリッドは、各鉱物が順番に結晶化する様子を視覚化するのに便利です。^[²^]

特定の鉱物の個々の反応は、温度または圧力のいずれかを計算するために使用できます。したがって、単一の岩石のマグマの温度と圧力の両方を計算するには、2つの異なる反応が必要です。熱力学とルシャトリエの原理に基づき、圧力に適した反応と温度に適した反応があります。

この手法では、各反応を較正する必要があり、これは実験とデータ分析によって行われます。実験では、岩石が形成される温度と圧力をシミュレートし、その条件下で反応がどのように進行するかを観察します。一方、データ分析では、圧力と温度の情報を含む岩石サンプルの大規模なデータベースを蓄積します。実験データは大きなばらつきを持つ傾向があるため、自然層のデータが利用可能であれば、それを使用する方がより正確です。 ^{[ 2 ]}

プレッシャー

この画像は、異なる圧力における透輝石の体積変化の検量線を求める実験を示しています。このデータに基づいて、この反応の平衡定数を計算することができます。

圧力（地気圧計）に最も適した反応は、反応中にモル体積が大きく変化する反応です。圧力が高いほど反応全体の体積は減少し、圧力が低いほど反応全体の体積は増加します。したがって、体積の大きい鉱物の割合と体積の小さい鉱物の割合に基づいて、反応中の環境の圧力を温度の関数として計算できます。各反応を較正し、圧力変化に伴う体積変化の速度を決定するための実験を行う必要があります。^{[ 2 ]}

温度

温度（地質温度計）に最も適した反応は、反応エンタルピーが大きい反応、つまり多くの熱を放出または消費する反応です。温度が高いほど反応は熱を消費しますが、温度が低いほど反応は熱を放出します。地質気圧計と同様に、反応が校正されている限り、熱を放出することによって生成される鉱物と熱を消費することによって生成される鉱物の割合を用いて温度を計算することができます。^{[ 2 ]}

反応の種類

単斜輝石が関与し、温度圧力測定に使用できる反応には 3 つの種類があります。

単変反応または変位平衡反応は、マグマ内の相を生成または破壊します。 ^{[ 2 ]}各相は最終的に独自の鉱物として結晶化します。温度と圧力条件に基づいて、最終的な岩石中にこれらの相がさまざまな割合で出現します。一例として、翡翠と石英が反応して副生石が生成される反応が挙げられます。^{[ 2 ]}^{[ 1 ]}翡翠は輝石の一種であるため、この反応は単斜輝石の気圧測定に用いられます。

${\ce {NaAlS2O6 + SiO2 -> NaAlS3O8}}$

この特定の反応では、反応物と生成物の間の体積の大きな変化が伴うため、反応は圧力の変化に非常に敏感です。^[²^]

交換反応は、類似した構造を持つ鉱物が存在する場合に起こり、その構造内でイオンが互いに入れ替わります。^{[ 2 ]}ほとんどの交換反応は高いエンタルピーを持つため、これは温度を計算する一般的な方法です。一例として、ガーネットと単斜輝石におけるFe ²⁺とMg ²⁺の交換が挙げられます。 ^[²^]これにより、パイロープとヘデンベルグ輝石（輝石）はアルマンディンと透輝石（輝石）に変化します。

${\ce {Mg3Al2Si3O12 + 3CaFeSi2O6 -> Fe3Al2Si3O12 + 3CaMgSi2O6}}$

ソルバス平衡反応は、温度に基づいて2つの相が互いに溶解するときに起こるため、地質温度測定に有用です。 ^{[ 2 ]}そのような反応の一つは、単斜輝石と斜方輝石が互いに溶解するときです。これにより、鉱物全体におけるカルシウムとマグネシウムの分布が変化します。 ^{[ 2 ]}

アプリケーション

単斜輝石の温度圧力測定は、鉱業で一般的に利用されています。特にダイヤモンド産業では有用であり、多くの関係者がダイヤモンドを含む岩石の形成に関する圧力と温度のデータを保有しています。^{[ 3 ]}これは重要な点です。なぜなら、ダイヤモンドは通常キンバーライト中に発見されますが、キンバーライトに必ずしもダイヤモンドが含まれているわけではないからです。発見されたキンバーライトをすべて採掘するのではなく、サンプルを採取して、ダイヤモンドの結晶化に適した環境で形成されたかどうかを確認することができます。

その他の応用は主に科学的なものであり、マグマの圧力と温度のデータは、リソスフェアとマントルの詳細なモデルを提案するために使用することができます。^[³^]これらのモデルは地質学と火山活動の理解を深め、科学者が噴火や地震などの事象を予測する能力に貢献する可能性があります。

参考文献

^ ^a ^b Putirka, Keith; Johnson, Marie; Kinzler, Rosamond; Longhi, John; Walker, David (1996). 「単斜輝石-液体平衡に基づく塩基性火成岩の温度圧力測定、0-30 kbar」. Contributions to Mineralogy and Petrology . 123 : 92– 108.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^mミスラ、クラ・C. (2012).地球化学の原理と応用入門. インド、ポンディシェリ: ワイリー・ブラックウェル. pp. 107– 128. ISBN 9781444347197。
^ ^a ^b ^c Grütter, Herman S. (2009). 「輝石ゼノシス地熱測定：技術と応用」. Lithos . 112 : 1167–1178 . doi : 10.1016/j.lithos.2009.03.023 .

[:12-1] Putirka, Keith; Johnson, Marie; Kinzler, Rosamond; Longhi, John; Walker, David (1996). 「単斜輝石-液体平衡に基づく塩基性火成岩の温度圧力測定、0-30 kbar」. Contributions to Mineralogy and Petrology . 123 : 92– 108.

[:02-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l ^mミスラ、クラ・C. (2012).地球化学の原理と応用入門. インド、ポンディシェリ: ワイリー・ブラックウェル. pp. 107– 128. ISBN 9781444347197。

[:22-3] Grütter, Herman S. (2009). 「輝石ゼノシス地熱測定：技術と応用」. Lithos . 112 : 1167–1178 . doi : 10.1016/j.lithos.2009.03.023 .

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