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マントルにおける∂Dの変動を解釈する手がかりとしての鉱物中の水素分子
Molecular hydrogen in minerals as a clue to interpret ∂D variations in the mantle.
PMID: 32681113 DOI: 10.1038/s41467-020-17442-8.
抄録
鉱物に含まれる微量の水は、地球のマントルの密度、粘性、融解挙動に影響を与え、地球規模のテクトニクス、マグマティズム、揮発性サイクルにおいて重要な役割を果たしています。マントル中の水の濃度と水素同位体比から、これらのプロセスや地球上の水の起源を知ることができます。本研究では、カープヴァールやシベリアのクレーターから採取された雲母岩から採取された鉱物（オムファカイト）に含まれる水素分子の存在を示した。これらのオムファサイトは、高濃度の水素(70〜460 wt.ppm)とOHの両方を含んでいる。さらに、これらのオムファサイトの∂D値は脱水に伴って増加し、鉱物とH含有流体の間の同位体交換の場合とは逆に、鉱物とH含有流体の間の正のH同位体分画係数を示唆している。名目上無水鉱物中に大量の水素が水素として取り込まれている可能性は、マントルにおける水素の貯蔵能力が過小評価されていた可能性を示唆しており、マントルマグマや鉱物における水素同位体の変動に新たな光を与えるものである。
Trace amounts of water dissolved in minerals affect density, viscosity and melting behaviour of the Earth's mantle and play an important role in global tectonics, magmatism and volatile cycle. Water concentrations and the ratios of hydrogen isotopes in the mantle give insight into these processes, as well as into the origin of terrestrial water. Here we show the presence of molecular H in minerals (omphacites) from eclogites from the Kaapvaal and Siberian cratons. These omphacites contain both high amounts of H (70 to 460 wt. ppm) and OH. Furthermore, their ∂D values increase with dehydration, suggesting a positive H isotope fractionation factor between minerals and H-bearing fluid, contrary to what is expected in case of isotopic exchange between minerals and HO-fluids. The possibility of incorporation of large quantities of H as H in nominally anhydrous minerals implies that the storage capacity of H in the mantle may have been underestimated, and sheds new light on H isotope variations in mantle magmas and minerals.