地殻マントル中のアルカリ炭酸塩メルトの証拠

学術的背景

地球深部の炭素循環、マントルの融解、酸化還元反応、および高度に非互換性のある元素の輸送において、炭酸塩メルトは重要な役割を果たしています。実験研究、変成作用の変化、およびマントル包有物、キンバーライト、ダイヤモンド中のメルト/流体包有物は、クラトン（安定大陸地殻）マントル中に炭酸塩メルトが存在することを示唆していますが、その短寿命性と高い反応性のため、これらのメルトの正確な組成を特定することは困難です。炭酸塩メルトが一度形成されると、源領域から移動し、特に斜方輝石などの珪酸塩マントル鉱物と反応し、マントルの変成作用を引き起こします。橄欖岩と炭酸塩メルトの相互作用の産物の一つであるウェールライト（wehrlite）は、原位置の炭酸塩メルトを研究するための理想的な対象です。

本研究は、西グリーンランドのMajuagaaキンバーライト中の柘榴石ウェールライト包有物を分析し、クラトンマントル中のアルカリ炭酸塩メルトの存在とその組成を明らかにすることを目的としています。この研究は、マントルの変成作用のメカニズムを理解するだけでなく、地球深部の炭素循環に新たな証拠を提供します。

論文の出典

本論文は、Ekaterina S. Kiseeva（アメリカ自然史博物館、アイルランドのコーク大学）、Vadim S. Kamenetsky（中国科学院海洋研究所、ロシアの火山学・地震学研究所）、Ivan F. Chayka（ロシア実験鉱物学研究所）、Roland Maas（メルボルン大学）、およびTroels F.D. Nielsen（デンマーク・グリーンランド地質調査所）によって共同執筆されました。論文は2024年10月9日に『Geology』誌にオンライン掲載され、タイトルは『Alkali-carbonate melts in the cratonic mantle evidenced by a wehrlite xenolith from the Majuagaa kimberlite, West Greenland』です。

研究のプロセスと結果

1. 研究対象とサンプル処理

研究の主な対象は、西グリーンランドのMajuagaaキンバーライト中の柘榴石ウェールライト包有物（サンプル番号GGU477406）です。この包有物は変形を受けていない粗粒の橄欖岩で、斜方輝石を欠いており、特殊な鉱物組成を持ち、柘榴石ウェールライトとして分類されています。研究者は、電子プローブマイクロアナライザー（EPMA）と走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して、サンプル中の主要鉱物（橄欖石、単斜輝石、柘榴石）の主成分分析を行いました。

2. メルトプールとメルト包有物の分析

ウェールライト包有物中には、大量の「メルトプール」が発見されました。これらのメルトプールは主にドロマイト、方解石、蛇紋石、スピネル、燐灰石、および金雲母で構成されています。低温変成作用により原始的なマグマ鉱物学の大部分が破壊されていますが、結晶化した炭酸塩メルトは、スピネル中のメルト包有物として保存されています。これらのメルト包有物は、炭酸塩、アルカリ炭酸塩、ペリクレース/ブルーサイト、および少量のハロゲン化物、カリウム硫化物、燐灰石、金雲母で構成されています。

3. スピネル中のメルト包有物

スピネル中のメルト包有物は、研究の鍵となります。これらの包有物は主にドロマイト、ナトリウムドロマイト、アルカリ炭酸塩（例：ナトリウムカリウム炭酸塩）、ペリクレース、燐灰石、カリウム硫化物（例：カリウム鉄ニッケル硫化物）、およびフッ素を含むブルーサイトで構成されています。エネルギー分散型X線分光法（EDS）による分析により、これらの包有物の組成が、実験中およびダイヤモンドの流体包有物中で発見されたナトリウムドロマイトメルトと非常に類似していることが明らかになりました。

4. 同位体分析

研究者は、ウェールライト包有物とキンバーライトのRb-SrおよびSm-Nd同位体分析も行いました。その結果、キンバーライトの母マグマはクラトンマントル中のマグネシウム豊富なシリコ炭酸塩メルトに由来し、ウェールライト包有物は炭酸塩化と低度の部分融解を経験したことが示されました。同位体データは、ウェールライトの形成が新原生代のキンバーライトイベントと関連していることを支持しています。

研究の結論と意義

本研究は、クラトンマントル中のアルカリ炭酸塩メルトの直接的な証拠を初めて提供しました。ウェールライト包有物中のメルトプールとスピネル中のメルト包有物を分析することにより、研究者はこれらのメルトの組成とマントルの変成作用における重要性を明らかにしました。研究結果は、アルカリ炭酸塩メルトがクラトンマントル中に広く存在し、マントルの変成作用およびキンバーライトの形成過程において重要な役割を果たしていることを示しています。

科学的価値

1. マントル変成作用のメカニズム：研究は、炭酸塩メルトとマントル橄欖岩の相互作用メカニズム、特にウェールライトの形成過程を明らかにしました。
2. 地球深部の炭素循環：研究は、地球深部の炭素循環に新たな証拠を提供し、炭酸塩メルトが炭素輸送の重要な媒体であることを示しています。
3. キンバーライトの成因：研究は、キンバーライトの母マグマがクラトンマントル中の炭酸塩メルトに由来するという見解を支持しています。

応用的価値

1. 鉱物資源探査：研究結果は、炭酸塩メルトに関連する鉱物資源（例：ダイヤモンド、希土類元素）の形成メカニズムを理解するのに役立ちます。
2. 地球ダイナミクスモデル：研究は、地球ダイナミクスモデルに新たな制約条件を提供し、特にクラトンマントルの進化過程を理解するのに役立ちます。

研究のハイライト

1. 初の発見：研究は、クラトンマントル中のアルカリ炭酸塩メルトの直接的な証拠を初めて提供しました。
2. 高精度分析：電子プローブマイクロアナライザーと走査型電子顕微鏡を使用し、研究者はメルト包有物の高精度な組成分析を行いました。
3. 同位体証拠：Rb-SrおよびSm-Nd同位体データは、研究を強力に支持し、ウェールライトとキンバーライトの間の成因的関連性を明らかにしました。

その他の価値ある情報

研究では、メルトプール中のスピネルが独特の組成と帯状構造を持ち、これが炭酸塩メルト中で結晶化したことをさらに支持しています。また、メルト包有物中の鉱物組み合わせは、実験中および天然の炭酸塩岩中の相組み合わせと高度に一致しており、研究に追加の証拠を提供しています。

本研究は、マントルの変成作用と地球深部の炭素循環に関する理解を深めるだけでなく、関連する鉱物資源探査および地球ダイナミクスモデルに重要な科学的基盤を提供します。