ブックタイトル日本結晶学会誌Vol60No1

概要

日本結晶学会誌Vol60No1

日本結晶学会誌60，2-8（2018）特集鉱物結晶学で解き明かす地球惑星ダイナミズム1．鉱物の微細組織と結晶学隕石と地球深部におけるメージャライトガーネットの秩序－無秩序転移海洋研究開発機構高知コア研究所富岡尚敬Naotaka TOMIOKA: Order-Disorder Transition in Majorite Garnet in ShockedMeteorites and Deep Earth’s InteriorMicrostructures and symmetries of synthetic and natural（Mg, Fe）SiO 3 garnet（majorite）havebeen investigated by transmission electron microscopy. Modulated and twin structures commonlyobserved in the synthetic majorite suggest a cubic-tetragonal phase transition due to cation orderingin its octahedral sites during quenching. Natural tetragonal majorite, which was newly discoveredin a shock meteorite, has less-ordered octahedral cations than those in the synthetic samples. Theorder-disorder state of majorite provides important constraints not only on shock metamorphism ofmeteorites, but also on the deep Earth’s mineralogy.1．はじめに地球の最表層である地殻の下には，マントルと呼ばれる岩石層が存在する．マントルはカンラン石［（Mg，Fe）2SiO 4］，輝石［（Ca，Mg，Fe）SiO 3］，長石［（Na，K，Ca）（Al，Si）4O 8］などのケイ酸塩鉱物が主な鉱物成分である．高温高圧の下にさらされるマントル深部では，これらの鉱物は高密度の結晶構造（高圧鉱物）に相転移する．われわれはマントルの高圧鉱物を直接手にしたいと望んでいるが，地下数百キロメートルの地下深部から，これらの高圧相が地表にもたらされることはきわめて稀であり，ダイヤモンド中の包有物など，産状は限られている．そのため，地球深部の鉱物相の推定は，モデルマントル物質に対して高温高圧下で相平衡実験を行い，得られた高圧鉱物の密度や弾性波の実験データを，地震波速度の観測データと比較することで行われている．意外かもしれないが，マントル深部に存在すると考えられている高圧鉱物は，宇宙から飛来する隕石中で数多く発見されている．1）隕石の起源である小惑星がほかの小天体と衝突を起こすと，衝撃波の発生によりマントルと同様な高温高圧状態が生じ，小惑星物質に含まれるケイ酸塩が高圧相転移するからである．このようにしてできた隕石中の高圧鉱物は，太陽系での衝撃変成における温度圧力履歴を示すだけでなく，地球深部での鉱物相や変形・相転移メカニズムなどのプロセスを理解する上で重要な手がかりを与えてくれる．その解析の重要な鍵の1つとなるのが鉱物結晶学である．本稿では，輝石の高圧相の1つであるメージャライトを例に，透過電子顕微鏡（TEM）による微細組織と対称性の解析の概要について，さらにその結果から，小惑星での衝突現象や地球深部についてどのような知見が読み取れるかを紹介する．2．メージャライトの結晶構造と対称性メージャライトは，輝石の一種であるエンスタタイト［（Mg，Fe）SiO 3］の化学組成とガーネットの結晶構造をもつ高圧鉱物である．MgSiO 3端成分においては，約16～22GPa，1,600～2,400℃の温度圧力範囲に安定領域をもつ（図1）．一般にケイ酸塩ガーネットはVIII VA I I 3 B V 2 Si 3O 12（Aサイト：Mg 2＋，Ca 2＋，Fe 2＋，Mn 2＋；Bサイト：Al 3＋，Fe 3＋，Cr 3＋）の組成式をとる．一方，メージャライト［VIII IMg 3VI（Mg，Si）V 2 Si 3O 12］の結晶構造では，MgとSiイオン両方が6配位サイトに存在するのが特徴である．Temperature ( C)2500200015001000500liquidorthoenstatiteprotoenstatiteclinoenstatitepyroxenehigh-pressureclinoenstatiteMg 2 SiO 4 modifiedspinel + SiO 2 rutilePressure (GPa)MgSiO 3garnetMgSiO 3ilmeniteMg 2 SiO 4 spinel+ SiO 2 rutileMgSiO 3perovskite510152025図1 MgSiO 3の相平衡図．（Phase diagram of MgSiO 3.）［文献2）を改変］．1,600℃以上の温度条件では，MgSiO 3輝石（エンスタタイト）は圧力の上昇に伴い，ガーネット構造（メージャライト），イルメナイト構造，ペロヴスカイト構造に相転移する．2日本結晶学会誌第60巻第1号（2018）