酸化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7117 (2023) この記事を引用

902 アクセス

19 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ナノメートルサイズの結晶（ナノライト）は、マグマの粘度に影響を与え、気泡核生成を誘発することにより、噴火の制御に重要な役割を果たします。 我々は、日本の福徳丘の場の 2021 年の噴火で発生したナノライトを含む軽石とナノライトを含まない軽石の詳細な顕微鏡およびナノスコピック岩石学的分析を紹介します。 ナノライト鉱物集合体には、斑晶鉱物集合体には存在しない黒雲母と、斑晶として観察される磁鉄鉱および単斜輝石が含まれる。 ナノライトを含む茶色のガラスとナノライトを含まない無色ガラスとの間の境界は鮮明であるか、または段階的であり、その鮮明な境界は透過型電子顕微鏡下でも鮮明に見えます。 火山ガラスの X 線吸収微細構造 (XAFS) 分析により、ナノライトを含まない無色ガラスは QFM + 0.98 (log 単位) の酸素フガシティを記録するのに対し、ナノライトを含む茶色のガラスはより高い見かけの酸素フガシティ (~ QFM + 2)。 MELTS を使用した熱力学モデリングは、酸素フガシティが高くなると液相線温度が上昇し、マグネタイト ナノライトの結晶化が誘発されることを示しています。 含水ナノライト鉱物集合体とガラス酸素フガシティの推定は、マグマの断片化の前に、高温の苦鉄質マグマによって供給される酸化性流体がマグマ溜まり内でナノライトの結晶化を引き起こしたことを示唆しています。 その後、酸化によって引き起こされたナノライトの結晶化により不均一な気泡の核生成が促進され、その結果マグマ溜まり内で対流が発生し、噴火が引き起こされました。

ナノライトとして知られるナノスケールの結晶は、噴火中に重要な役割を果たします。 ナノライトは元々、600 nm 未満での結晶サイズ分布 (CSD) の顕著な切れ目によってマイクロライトと区別され1、その後 Mujin ら 2 はナノライトを長さ 30 ～ 1000 nm の結晶として、ウルトラナノライトを長さ 30 nm 未満の結晶として再定義しました。長さ。 ナノライトの従来の岩石学的研究には、透過型電子顕微鏡 (TEM) や高解像度走査型電子顕微鏡 (HR-SEM) などの高解像度観察システムが必要でした。 ラマン顕微鏡により、Fe-Ti 酸化物 (マグネタイト) ナノライトの検出がますます容易になりました 3,4。 ナノライトの結晶化は一般に、火道内のマグマの上昇 4、5、6、7、8 やマグマの断片化後の冷却プロセスなどの浅いプロセスを反映していると考えられています 9。 マグネタイト ナノライトの結晶化により、マグマの粘度が増加したり、気泡核生成が増加したりすることにより、噴火の爆発性が高まる可能性があることも示されています 4,10,11,12,13。 しかし、最近の現場実験では、ナノライトの結晶化により粘度は増加するものの、自然融解物中での増加効果は類似物質から予想されるほど高くはなく14、ナノライトと火山プロセスとの関係は依然として不明であることが示されている。 さらに、噴火するマグマ中でナノライトの結晶化（または気泡核生成）がどのように始まるのかは依然として不明である。

福徳丘の場 (FOB) は、日本本土から南に約 1300 km (北緯 24 度 17.1 分、東経 141 度 28.9 分) の北西太平洋の伊豆小笠原弧にある海底火山です。 火山の頂上は、2021 年の噴火以前は海面下約 30 m の深さにあり、長さ 1.5 × 1 km の平らな楕円形をしていました15。 2021 年 8 月 13 ～ 15 日 (日本標準時)、火山で爆発的噴火が発生しました16、17、18。 衛星観測に基づいて、Maeno et al.16 は、噴火柱には少量の火山砕屑物質を含む水分が豊富であり、したがって海水と高いマグマ放出速度との相互作用によって噴火の爆発性が増大したことを示した。 この噴火により、主に灰色の軽石からなる大きな軽石いかだが生成され、それが海流によって西方向に 1000 km を超えて運ばれました 18,19。 軽石いかだは最初に日本列島の太平洋岸に到着し、その後西に合計 5,000 km を超えて移動し、タイ湾に到着しました20。 大量の浮遊軽石は沿岸生態系にダメージを与え、経済に影響を与える可能性があります16、18、21。 漂流軽石の地球化学的および岩石学的分析により、その色はさまざま（灰色、琥珀、茶色、黒色）であるにもかかわらず、SiO2 および Na2O + K2O 含有量がそれぞれ 60 ～ 65 質量％、8 ～ 10 質量％であるほぼ均一な粗面岩組成を有していることが示されました18。 。 堆積した軽石砕片は、1,000 km を超える 2 か月の漂流中にいくつかの摩耗と除去のプロセスを受けましたが、軽石のタイプの全体的な傾向、つまり大部分が灰色タイプであったことは、降下後 10 日以内に観察されたものと比較して同じままでした。海上の噴火16,19。 異なる色の軽石は、独立した塊として発生するか、緩やかな境界または鋭い境界を持つ単一の塊として一緒に発生します。 FOB 軽石の注目すべき特徴は、大部分が灰色の軽石であるのに対し、少量の黒色の軽石がよく見られることです。 黒色軽石は、堆積物の大部分を構成する灰色の軽石と同様の組成を持っていますが、微細組織は異なります。 ラマン顕微鏡検査により、黒色軽石中の茶色のガラスには磁鉄鉱ナノライトが含まれており、これが溶融粘度を増加させ、したがって2021年の爆発的なFOB噴火に役割を果たしたことが示されました18。

我々は、TEM 分析、Fe K エッジ XANES (X 線吸収近端構造) 微小分析、熱力学モデリングを含む、FOB 軽石中のナノライト含有ガラスの包括的な研究を実施しました。 調査サンプル（AYA-2）は、10月18日に奄美大島の北東海岸（北緯28度28.4分、東経129度42.9分）で採取された、明確な境界を持つ灰色と黒色の部分からなる単一の軽石砕片です。 2021年（補足図1）。 このサンプルの基本的な岩石学的説明が提示されています18。 また、ナノライトの結晶化が FOB マグマ溜まりでどのように発生し、噴火に影響を与えたかについても議論します。

2021 年の FOB 噴火による軽石いかだは、大部分が灰色の軽石で構成されており、少量の黒色および異なる色の軽石（琥珀や茶色を含む）が含まれています。 黒と茶色の軽石は、磁鉄鉱ナノライトのラマン特徴を持つ茶色のガラスで構成されており、約 670 cm-1 にピーク 18 があります。 対照的に、灰色と琥珀色の軽石は、無色でナノライトを含まないガラスで構成されています。 灰色の軽石では目に見えるマイクロライトは確認されていませんが、黒色の軽石には希少な単斜輝石とカンラン石のマイクロライトが含まれています18。 黒い軽石は、個々の砕片として、または灰色の軽石と混合して発生します18,20。

灰色と黒色の軽石は、異なる質感を示すことがよくあります (図 1a、d、e)。 灰色の軽石の基質では、より小さくて細長い小胞が観察されましたが、黒色の軽石ではより大きく、より球形でした（図1d、e）。 気泡の長軸は、楕円体フィッティングを使用して推定されました。 どちらのタイプのガラスでも大きな気泡 (> 500 μm) が確認されましたが、無色のガラスのほとんどの気泡は < 50 μm でした。 無色および茶色のガラス中の気泡の平均長さは、それぞれ 73 および 128 μm でした。 灰色と黒色の軽石の境界はさまざまでした。光学顕微鏡で見ると、いくつかの砕片には茶色（黒色軽石）と無色（灰色の軽石）のガラスの間に鋭い境界が含まれていましたが（図1b）、他の砕片は茶色から無色への緩やかな変化を示しました。ガラス（図1c）。 斑晶鉱物集合体は、両方の軽石タイプ (単斜輝石、斜長石、およびマイナーな磁鉄鉱とカンラン石) で類似しており、苦鉄質マグマに由来すると考えられるものを除いて、ほとんどの鉱物は同様の組成を持っています 18,20。 たとえば、FOB 軽石では 2 種類のかんらん石が観察されます。1 つは比較的鉄に富むもの (Mg# = Mg モル/[Mg + Fe] ~ 65) で、組成帯化がなく、もう 1 つは高 Mg (Mg# ~ 90) です。プラトーとリムに向かって Mg 含有量が減少する 18。 後者のタイプのかんらん石は、黒色軽石で観察されるか、黒色軽石と密接に関連しています18,20。

(a) 黒色軽石 (茶色のガラス) と灰色の軽石 (無色ガラス) の境界の顕微鏡写真。 青いボックスは、(b) に示した拡大顕微鏡写真の位置を示します。 挿入写真はクラスト全体を示しています。 (b) 茶色のガラスと無色のガラスの境界の拡大図。 黒い線は TEM 分析の位置を示します。 (c) 別の軽石クラスト内の茶色と無色のガラスの間のグラデーションの境界。 (d、e) (d) 茶色および (e) 無色のガラス ドメインの代表的な後方散乱電子画像。 茶色のガラスには大きな球形の気泡があり、無色のガラスには小さく細長い気泡があります。 気泡の長軸の長さのヒストグラムも示されています。 (f) (b) に示した領域の TEM 明視野像。 このスケールでは、茶色のガラスと無色のガラスの境界が明確です。 比較的大きな単斜輝石ナノライトが見られます。 (g) 茶色のガラスの拡大図。長さ約 20 nm のマグネタイト ナノライトと長さ約 100 nm の黒雲母ナノライトを示しています。 略称は単斜輝石（Cpx）、黒雲母（Bt）、磁鉄鉱（Mag）です。

茶色のナノライトを含むガラスと無色のナノライトを含まないガラスの違いを特定するために、2 種類のガラス間の明確な境界で TEM 分析を実行しました (図 1b)。

TEM 分析により、茶色のガラス中に 3 種類のナノライトが存在することが明らかになりました。 対照的に、無色のガラスには、TEM分析のスケールでも結晶がありませんでした（図1f）。 最大の粒子は単斜輝石で、長軸は < 300 nm でした。 対照的に、豊富な < 20 nm の塊状粒子はマグネタイトでした (図 1g)。 時折、長さ < 100 nm の平板状粒子が観察され、K、Al、および Mg EDS の痕跡が得られ、それらが黒雲母であることを示唆しました。

マグネタイトナノライトはランダムに配向していた。 しかし、細長い単斜輝石と黒雲母の粒子は、茶色と無色のガラスの間の境界に（準）平行に弱く整列していました。 TEM 画像に基づくと、ナノスケール固相はサンプルの約 12 vol% でした (図 1g)。

無色ガラスと褐色ガラスのスポット分析によって得られた代表的なXANESスペクトルを、計算されたFe3+/ΣFe比とともに図2a〜dに示します。 無色ガラスと褐色ガラスの Fe3+/ΣFe 比は、それぞれ 0.24 ～ 0.28 (n = 4) と 0.31 ～ 0.36 (n = 8) でした。 さらに、褐色ガラスの XANES スペクトルには、マグネタイトに起因すると考えられる約 7129.5 eV に比較的鋭いピークがあり 22、褐色ガラスをナノライトと非晶質ケイ酸塩ガラスの混合物として分析したことが示されました。 マグネタイト ナノライトの存在により、Fe3+/ΣFe 比の校正に使用される Fe XANES 重心エネルギーが無効になる可能性があります。 したがって、これらの値は注意して解釈する必要があります。 茶色のガラスの非晶質部分の本当の Fe3+/ΣFe 比は不明ですが、茶色のガラスの混合物全体、つまりナノライト + 非晶質部分は Fe3+ が豊富で、無色のナノライトよりも酸化されていることに注意する必要があります。 -無料のガラス。

(a) 茶色のガラスと (b) 無色のガラスからの代表的な XANES スペクトル。 (c、d) (a) および (b) の破線ボックスで示されたプリエッジ領域の拡大図。 Fe2+ および Fe3+ ピークのガウス フィットも表示されます。 Fe3+/ΣFe 比は、奥村らの流紋岩ガラスの校正を使用して計算されました 39。 (e) 黒色と灰色の軽石ドメイン間の境界の 2D XANES 画像。 分析された厚いセクションは、スポット分析に使用されたクラストから作成されました。 Fe3+/ΣFe 比が高い領域は単斜輝石と磁鉄鉱斑結晶であり、矢印で示されています。

2D XANES分析は、黒色軽石中の茶色のガラスが灰色の軽石中の無色ガラスよりも高いFe3+/ΣFe比を持っていることも示しました（図2e）。

ナノライト形成のタイムスケールは短く、準安定または不平衡過程が予想されますが、熱力学相モデリングはその形成過程を考慮するための有用な指標として使用できます。 FOB 軽石組成の安定した鉱物集合体は、流紋岩-MELTS v.1.2.x モデル 23 を使用して計算されました。 FOB 軽石は、その外観にもかかわらず、全岩組成の範囲が狭い18。 モデリングには FOB-JMA-1818 の岩石組成全体が使用されました。

無色ガラスと褐色ガラスの酸素フガシティ (fO2) は、式 24、FOB-JMA-18 の組成、報告されたマグマ溜まりの圧力と温度 (930 °C、250 MPa18) を使用して計算されました。 これらの条件下および測定された Fe3+/ΣFe 比を使用すると、QFM (石英 – ファヤライト – マグネタイト) 緩衝液に対する無色ガラスの log(fO2) 値は QFM + 0.98 になります。 茶色のガラスの XANES スペクトルにはマグネタイト ナノライトからの信号が含まれていますが、見かけの Fe3+/ΣFe 比を使用して、茶色のガラスの fO2 が QFM + 2.04 であると計算します。

マグマ溜まり内のナノライトと斑晶の外観をモデル化するために、図3aに要約されているように、930℃の固定温度と250MPaの圧力を使用し、fO2と水分含有量を変更しました。 マグネタイトは、モデル化されたすべての条件下で安定しています。 Mg# が約 60 のカンラン石は、還元 (QFM − 0.5) および湿潤 (H2O = 6 質量%) 条件下でのみ安定であることが判明しましたが、他の斑晶鉱物 (単斜輝石、斜長石、および磁鉄鉱) は、比較的高い水分含有量 (5 質量%) を伴う、より酸化された (QFM + 1.5 および + 2) 条件。

MELTS_Excel による安定相 (a) 固定圧力および温度、可変酸素フガシティおよび含水量、(b) 固定圧力および含水量 (5 質量%)、可変酸素フガシティおよび温度、(c) 固定温度および含水量(5 質量%)、可変酸素フガシティと圧力。 略称は斜長石（Pl）、斜方輝石（Opx）、単斜輝石（Cpx）、かんらん石（Ol）、黒雲母（Bt）、磁鉄鉱（Mag）です。

また、250 MPa の一定圧力および 5 質量％の固定含水量で、温度と fO2 を変化させたときの相関係をモデル化しました（図 3b）。 液相線温度は QFM + 2 で > 1100 °C に達しますが、条件がさらに低下すると温度は低くなります (< 1000 °C)。 黒雲母は、比較的高い fO2 (> QFM + 0) および低温 (< 925 °C) で結晶化します。

黒雲母の安定性をさらに評価するために、900℃の一定温度および5質量％の含水量での可変圧力とfO2をモデル化しました（図3c）。 低圧 (< 150 MPa) では、H2O は飽和します。 黒雲母は高圧 (> 100 MPa) および fO2 (> QFM + 1) で安定になります。 黒雲母の安定性に必要な酸素フガシティは、高圧では低くなります。

XANES 分析は、灰色と黒色の軽石の違い、つまりナノライトの発生が、Fe3+/ΣFe 比と対応する fO2 の違いに起因する可能性があることを示しました。 マグネタイト ナノライトを含む茶色のガラスは、見かけの fO2 (約 QFM + 2.04) が高いドメインで発生しますが、無色のガラス ドメインの fO2 は約 QFM + 0.98 になります。 ナノライト含有ガラスの Fe3+/ΣFe の校正には不確実性がありますが 22、茶色のガラスは Fe3+/ΣFe 比が高いため、fO2 が高くなります。 この研究は、最も典型的なナノライトを含まないサンプルとナノライトを含むサンプルに焦点を当てました。 つまり、灰色と黒色の軽石の境界です。 ナノライトを含む茶色のガラスとナノライトを含まない無色ガラスの間の鋭い境界（図1b）は、例えば爆発的噴火中の2種類のマグマの混合などの急速なプロセスによって形成されたものであり、2つのマグマが異なるものであることを示唆しています。噴火前の色。

2 つのドメインの気泡のテクスチャは異なり、無色のガラスには細長い小さな気泡が、茶色のガラスには大きな球形の気泡が見られます (図 2d、e)。 これらの対照的なテクスチャーとナノライトの存在との関係は、気泡の核生成が無色ガラスよりも茶色のガラスで早く起こり、気泡が成熟することを可能にしたことを示唆しています。 その後、おそらく 2 つのマグマが混合した後、ナノライトを含まないマグマ内で気泡の核生成が始まりました。 このシナリオは、気泡によるナノライトの結晶化ではなく、噴火前のナノライトの結晶化による気泡核生成の誘発によって最もよく説明できる 10,25。 注目すべきは、Kato26 が 1986 年の FOB 噴火で発生した明るい灰色の軽石と暗い灰色の軽石を研究し、滴定を使用して 2 種類の軽石が同じ Fe2+/Fe3+ 比を持つことを示したことです。 気泡のマイクロテクスチャーを含む、26 による濃い灰色の軽石の記述に基づくと、それは吉田ら 18 によって記述された琥珀色の軽石と同じであり、ここで研究された黒色の軽石とは異なる可能性があります。 琥珀色の軽石は、比較的大きな小胞を持つ無色のガラスで構成されており、磁鉄鉱ナノライトは含まれていません18。

硫黄を含まない流紋岩系での実験研究は、FOB 軽石中の黒色と灰色のタイプの両方が減圧および排出プロセス中に脱ガスを受けているにもかかわらず、H2O を主成分とする揮発性成分の脱ガスにより Fe3+/ΣFe27 が増加することを示しました。 したがって、脱ガスに関連した酸化が黒色軽石の起源である可能性は低く、噴火の開始前にナノライトの形成プロセスが発生したと考えられます。 黒色軽石に付随する高 Mg かんらん石の存在は、高 Mg かんらん石が爆発的噴火を引き起こした深部の高温苦鉄質マグマに由来し、黒色軽石 (マグマ) が黒くなった (ナノライトを含む) ことを示唆しました。侵入した高温苦鉄質マグマの影響18． 黒色軽石の全岩石組成は灰色軽石の組成と類似しており、代わりに少量の固体を含む高温揮発性成分がFOBの粗面岩マグマ溜まりに注入されたことを示唆している。 高Mgカンラン石18中の黒雲母ナノライト（図1e）および角閃石包有物の存在は、この揮発性成分が水分に富んでいたことを示唆しています。 MELTSモデリング（図3c）は、水和と黒雲母の形成が導管などの浅い深さでは発生せず、配管システムのより深い部分（> 100 MPa）で発生したことを示唆しています。 一般に水を加えると液相線温度が下がります。 ただし、酸化状態が進むと液相線温度が上昇します。 灰色と黒色の軽石の異なる Fe3+/ΣFe 比は、黒色の軽石を暗くした薬剤が酸化剤であることを強く示唆しています。 高い含水量と fO2 は、沈み込み帯で形成されるマグマの 2 つの基本的な特徴であり、含水の一次融液が周囲のマントルと反応するときに得られます 28。

茶色と無色のガラスの対照的な質感とそれらの間の明確な境界を考慮すると、2 つのマグマの違いは噴火前に、おそらくマグマ溜まりで生成されたに違いありません。 茶色と無色のガラスの間の段階的な境界（図1c）は、マグマの拡散酸化などのゆっくりとしたプロセスによって形成されたか、または噴火中の茶色と無色の境界の変形によって生成されました。 縞模様があり、混合された黒と灰色の軽石がよく見られる 18,20 ことも、マグマ溜まりでのナノライトの結晶化を示唆しています。 苦鉄質マグマを使用した実験では、ナノライトの結晶化は高温で始まるが、酸化条件下では速度が遅くなることが示され 29、酸化がナノライトの結晶化を促進できることが実証されました。

アーブル火山の流紋岩軽石を使用した大気条件下での加熱実験では、700℃以上で5分以上加熱した軽石は、マグネタイトナノライトの酸化とヘマタイトへの変態によりピンク色になることが示されました30。 これらの著者らは、2012年のアーブル軽石いかだでピンク色の軽石がよく見られたことは、爆発的噴火の水柱が非常に強力であったため、軽石が高温の大気中の鉄酸化を受けたことを証明していると示唆した。 対照的に、2021年のFOB軽石いかだでは、酸化したピンク色の軽石は観察されませんでした。 FOB 軽石中での硫化鉄の磁鉄鉱への酸化が報告されています 18 が、さらなる酸化は観察されていません。 2021 年の FOB 噴火中の活発な白い噴煙の衛星観測は、それが水の豊富な噴火であり、軽石いかだは海底噴出孔で生成されたことを示唆しています 16。 軽石の限定的な酸化は衛星観測と一致しています。 また、ナノライトの特性（図 1d–g）は、一度排出されホットベントに落下したリサイクル灰の特性とは明らかに異なります31。 これは、茶色と無色のガラスの間に明確な境界を形成する黒色軽石と灰色軽石の混合が導管内で起こったことを示唆しています（図4）。

2021 年の FOB 噴火中の軽石の生産。 (a) 酸化剤と高 Mg カンラン石は高温の苦鉄質マグマによって供給され、マグネタイト ナノライトの結晶化を促進しました。 不均一な気泡の核生成は、最初にナノライトが豊富な領域で始まりました。 (b) 泡状のマグマが浮力を増し、マグマだまり内で対流を開始し、結晶ドロドロの若返りを促進しました。 (c) 噴火は、若返ったマグマ内での気泡核生成によって臨界圧力が発生したときに始まりました。

ナノライトの形成と関連する噴出プロセスは次のように要約できます (図 4)。 沈み込み帯の深部に由来する高温の苦鉄質マグマ（約 1250 °C18）は、噴火の引き金となる手がかりとなります。 含水かつ高度に酸化された一次マグマが FOB マグマだまりの底に注入されると、粗面岩 FOB マグマに酸化性流体が供給されました。 酸化誘起ナノライトの結晶化は不均一な気泡の核生成を促進する可能性があり 32、33、34、そのためマグマだまり内の酸化した溶融物の一部が浮力になりました。 泡状のナノライトを含む溶融物が上昇し始め、FOB マグマ溜まり内で対流を開始し、おそらくマグマ溜まりの他の部分で追加の気泡核生成を誘発したと考えられます。 対流はマグマ溜まりの活性化を促進し、過圧を生成して噴火を引き起こしました。

Paredes-Mariño et al.35 は、マグマ溜まりに注入された高温のマグマの巨視的破片が不均一な気泡核形成の場所を提供し、対流を開始することを示しました。 黒色飛び地や高 Mg カンラン石など、注入された苦鉄質マグマの破片は FOB 軽石で確認できますが 18,20、茶色のガラスのより高い Fe3+/ΣFe 比は、酸化誘起ナノライト結晶化が重要な役割を果たしたことを強く示しています。不均一な気泡核形成において。 噴火中に火道内で2種類の軽石が合体して形成された黒色と灰色の軽石の境界がはっきりとしている（図4）。 黒と灰色の軽石の対照的な微細構造は、泡立ち中または泡立ち後の 2 つの軽石 (マグマ) の合体を示しています。 このシナリオによれば、磁鉄鉱ナノライトが核生成サイトを提供したため、気泡核生成は黒色軽石中でマグマ溜まり内にあったときより早く発生した25。 対照的に、対流中および導管の上昇中に灰色の軽石で気泡の核生成が発生しました。これは、黒色の軽石のより大きな小胞と灰色の軽石のより小さな小胞と一致しています（図1a、2e）。

高 Mg カンラン石粒内の拡散プロファイルは、苦鉄質マグマが元の温度 (約 1250 °C) を維持していると仮定して、噴火の 14 時間から 50 日前に貯留層に注入されたことを示しました。 約 12 vol.% のナノスケール結晶を含む粗面岩溶融物 36 の粘度は、約 900 °C で 104 ～ 105 Pa・s である可能性があり、単純な 2 層モデルの場合、より高温のマグマが注入されてから約 10 日後にマグマが対流を開始したことを示唆しています。と想定されていた37。 ここで提案される酸化誘起ナノライト結晶化と気泡核生成は、単純な熱対流モデルと比較して対流の増加につながります。つまり、対流のタイムスケールを短くすることができます。 したがって、マグマ対流の開始に予想される時間スケールは数時間から数日であり、黒色軽石中に沈殿したナノライトが保存された可能性がある。

2021 年の FOB 噴火では大量の軽石が生成されましたが、そのほとんどはナノライトを含まない灰色の軽石で、少量のナノライトを含む黒色の軽石が含まれていました。 ナノライトを含まない軽石とナノライトを含む軽石の存在は、マグマ溜まりでナノライトが形成されたことを示唆しています。 XANES分析とTEM観察は、ナノライトを含む黒色軽石が酸化して水和していることを示しており、その下にある高温の苦鉄質マグマからの酸化流体の流れがナノライトの結晶化と不均一な気泡核生成を誘発し、それが爆発的噴火を引き起こしたことを示唆している。 私たちの研究は、流体による酸化がナノライトの結晶化に重要な役割を果たすことを示しています。

SEM 分析は、横須賀の海洋研究開発機構にある電界放射型電子プローブ マイクロアナライザー (JEOL JXA-8500F) を使用して実行されました。

ナノライトの分析は、日本の京都大学地質鉱物学教室のエネルギー分散型 X 線分光計 (JEOL JED-2300T) を備えた TEM (JEOL JEM-2100F) を使用して実施されました。 TEM 分析の前に、日本の京都大学地質鉱物学部の集束イオン ビーム システム (Thermo Scientific Helios Nanolab G3 CX) を使用して、対象領域の薄箔が切り取られました。

ガラスの Fe3+/ΣFe 比は、つくば市の Photon Factory にある BL-4A ビームラインを使用し、室温で蛍光モードで測定された Fe K エッジ XANES スペクトルを使用して決定されました。 X線蓄積リングの電流は450mAでした。 X 線は 6 × 4 μm の領域に焦点を合わせました。 スペクトル特徴は 38 の手順に従ってデコンボリューションされ、Fe3+/ΣFe 比は流紋岩ガラスの公式を使用して計算されました 39。

Fe3+/ΣFe 比の 2 次元分布は、Photon Factory の NW2A ビームラインを使用して測定された Fe K エッジ XAFS (X 線吸収微細構造) スペクトルを使用して、40 の手順に従って定性的に決定されました。 エネルギー 7076 ～ 7321 eV の XAFS スペクトルは、2048 × 1024 ピクセル検出器と約 15 × 3 mm の領域にわたって約 4.5 × 4.5 μm の空間分解能を使用して透過モードで測定されました。 XAFS スペクトルは、かんらん石 (Fe2+) およびアンドラダイト (Fe3+) の参照端成分との類似性について校正されており、校正値は Fe3+/ΣFe 比の定性的尺度とみなすことができます。

熱力学的結晶化モデリングは MELTS_Excel23 を使用して実行されました。 報告されている FOB 軽石の鉱物集合体には石英が含まれていないことを考慮して、流紋岩-MELTS バージョン 1.2.x を使用しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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2D-XANES 解析にご協力いただいた国士舘大学の大柳 良氏、東北大学の吉田 和也氏、田中 S. 氏に感謝いたします。 本研究の一部は、JSPS 科研費（助成番号 JP19K14825 および JP19H01999 to KY、JP20H00198 および JP20H00205 to AM、JP22K03755 to HI、JP18KK0376 to AO、JP19H00834 および JP22H05109 to MK、JP21H01）の助成を受けました。 195 to YT）とNOZOMI Farm。 Micro-XANES分析は、高エネルギー加速器研究機構の承認を得て、Photon FactoryのBL4A（提案番号2020G008）およびNW2A（提案番号2021G634、2022S2-001）で実施されました。 L. Gurioli、F. Arzilli、D. Di Genova による批判的かつ建設的なレビューと、A. Hildenbrand による編集担当により、原稿は大幅に改善されました。 英語の編集を担当していただいた Stallard Scientific Editing に感謝いたします。

国立研究開発法人海洋研究開発機構 海洋地球力学研究所 〒237-0061 横須賀市夏島町2-15

Kenta Yoshida, Tomoki Sato, Yoshihiko Tamura & Shigeaki Ono

〒606-8502 京都市左京区北白川追分町 京都大学大学院地質鉱物学教室

Akira Miyake & Shota H. Okumura

〒422-8529 静岡市駿河区大谷836 静岡大学理学部地球科学科

Hidemi Ishibashi

東北大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻〒980-8578 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉6-3

Satoshi Okumura

東北大学大学院環境学研究科、〒980-8579 宮城県仙台市

Atsushi Okamoto

〒305-0801 茨城県つくば市大保1-1 高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所

丹羽泰宏＆木村正雄

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KY は研究のアイデアを考案し、フィールドワークと顕微鏡分析を実施し、元の原稿を起草しました。 AMとSHOはTEM分析を行いました。 こんにちは、そして、わかりました。 XANESスポット解析に貢献しました。 AO、YN、MK は 2D XANES 解析に貢献しました。 TS、YT、S.On。 研究の概念化に貢献しました。 著者全員が原稿草稿をレビューしました。

吉田健太さんへの対応です。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

吉田和也、三宅暁、奥村SH 他酸化誘起ナノライト結晶化は、日本の福徳丘の場の 2021 年の噴火を引き起こしました。 Sci Rep 13、7117 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34301-w

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受信日: 2022 年 12 月 22 日

受理日: 2023 年 4 月 27 日

公開日: 2023 年 5 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34301-w

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