適合性（地球化学）

適合性は、地球化学者が、元素が固体内でどのように分割され、地球のマントル内でどのように溶解するかを説明するために使用する用語です。地球化学において、適合性は、鉱物内で特定の微量元素が主要元素とどれほど容易に置き換わるかを測る尺度です。

イオンの適合性は、その価数とイオン半径の2つの要素によって制御されます。^[1]微量元素が鉱物に適合するには、両方の要素が主要元素の要素に近似している必要があります。たとえば、オリビン（上部マントルに豊富に存在する鉱物）の化学式は（Mg、Fe）です。
₂SiO
₄ニッケルは、鉄やマグネシウムと化学的挙動が非常に似ており、容易にそれらの代替物となり、マントル内で非常に適合性が高い。

適合性は、溶融中のさまざまな元素の分配を制御します。岩石中の元素の適合性は、存在する各鉱物におけるその適合性の加重平均です。対照的に、不適合元素とは、結晶構造内で最も安定性が低い元素です。元素が岩石内で不適合である場合、溶融が始まるとすぐに溶融物に分配されます。一般に、どの岩石と適合するかを言及せずに元素が「適合する」と言われる場合は、マントルが暗示されています。したがって、不適合元素は、大陸地殻に豊富で、マントルで枯渇する元素です。例としては、ルビジウム、バリウム、ウラン、ランタンなどがあります。適合元素は地殻で枯渇し、マントルで豊富であり、ニッケルやチタンがその一例です。

適合性は、一般的に元素の分配係数によって説明されます。分配係数は、元素の固体相と液体相が鉱物内でどのように分配されるかを説明します。地球の希少微量元素に関する現在の研究では、地殻内の元素の化学組成を定量化し、調査しようとしています。地球内部の下部地殻と上部マントル領域の理解には、まだ不確実性があります。さらに、多くの研究は、海洋地殻の組成を特徴付けるために、玄武岩質マグマ内の特定の元素の分配係数を調べることに焦点を当てています。 ^[2]鉱物サンプルを与えられた地殻とマントルの元素の組成を測定する方法があることで、適合性は特定の微量元素の相対濃度を決定することを可能にします。岩石学の観点から、主要な微量元素と希少な微量元素が溶融物内でどのように分化するかを理解することは、地質学的時間スケールでの地球の化学的進化をより深く理解することにつながります。^[3]

鉱物では、ほぼすべての元素が固相と液相の間で不均一に分布しています。この現象は化学分別と呼ばれ、平衡定数で説明できます。平衡定数は、平衡にある任意の2相間の元素の分布を固定します。^[1]分布定数は、反応の固相と液相の関係を定義するために使用されます。この値は、基本的に2相間の元素の濃度の比率であり、この文脈では通常、固相と液相の間です。この定数は、微量元素を扱うときにと呼ばれることがよくあります。 ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle K_{D}}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle K_{D}={\frac {C_{S}}{C_{L}}}={\frac {X_{i}^{固体}}{X_{i}^{液体}}}}$

${\displaystyle K_{D}=D}$微量元素について

平衡定数は経験的に決定される値です。これらの値は、温度、圧力、鉱物溶融物の組成に依存します。値は主要元素と微量元素とで大幅に異なります。定義により、非互換微量元素の平衡定数の値は 未満です。これは、微量元素は溶融物中では固体よりも濃度が高いためです。^[1]これは、互換性のある元素の値が であることを意味します。したがって、非互換元素は溶融物に集中し、互換性のある元素は固体に集中する傾向があります。の互換性のある元素は強く分別されており、液相中の濃度は非常に低くなります。 ${\displaystyle D}$${\displaystyle D>1}$${\displaystyle D\gg 1}$

バルク分配係数は、岩石中の鉱物を構成する元素の元素組成を計算するために使用されます。バルク分配係数は次のように定義されます。 ${\displaystyle {\overline {D}}_{i}}$

${\displaystyle {\overline {D}}_{i}=\Sigma W_{A}D_{i}^{A}}$

ここで、は鉱物中の対象元素、 は岩石中の鉱物の重量分率です。は鉱物中の元素の分配係数です。^[1]この定数は、鉱物中の個々の元素が2つの異なる相にどのように集中しているかを説明するために使用できます。化学分別中に、特定の元素の濃度が増減することがあり、これにより地球化学者はマグマ分化のさまざまな段階を定量化できます。^[4]最終的に、これらの測定値は、さまざまな地質学的設定での元素の挙動に関する理解を深めるために使用できます。 ${\displaystyle i}$${\displaystyle W_{A}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle D_{i}^{A}}$${\displaystyle A}$

地球の組成に関する主な情報源の 1 つは、ペリドタイトと玄武岩の融解の関係を理解することです。ペリドタイトは地球のマントルの大部分を占めています。地球の海洋地殻に高濃度で存在する玄武岩は、マグマが地表に到達し、非常に速い速度で冷却されたときに形成されます。^[1]マグマが冷却されると、それぞれの鉱物の冷却温度に応じて、さまざまな鉱物が異なるタイミングで結晶化します。これにより、さまざまな鉱物が結晶化し始めるため、最終的に溶融物の化学組成が変化します。玄武岩質液体中の元素の分別結晶化も研究されており、上部マントルの溶岩の組成を観察できます。^{[5]この概念は、科学者が地球のマントルの進化と、過去 35 億年間に}親岩微量元素の濃度がどのように変化したかについての洞察を与えるために適用できます。^[6]

これまでの研究では、微量元素の適合性を利用して、それがペリドタイト 固相の溶融構造に与える影響を調べてきました。^[7]このような研究では、特定の元素の分配係数が調べられ、これらの値の大きさから、研究者は溶融物の重合度についてある程度の指標を得ることができました。1998年に中国東部で実施された研究では、中国の地殻で見つかったさまざまな元素の化学組成が調べられました。この地域の地殻構造を特徴付け、説明するために使用されたパラメータの1つは、さまざまな元素ペアの適合性でした。^[8]基本的に、このような研究は、特定の元素の適合性がどのように変化し、地球内部の化学組成と状態によって影響を受けるかを示しました。

海洋火山活動は、適合性の使用を一般的に取り入れているもう一つのトピックです。1960年代以来、地球のマントルの構造は地球化学者によって研究され始めました。火山活動からの玄武岩を豊富に含む海洋地殻は、地質学的時間スケールでの地球内部の進化に関する情報を提供する明確な成分を示しています。マントルが溶けると、適合しない微量元素が枯渇し、火山活動を通じて海洋地殻または大陸地殻に濃縮されます。また、火山活動によって地殻上に濃縮されたマントル溶融物が生じることもあります。これらの現象は、これらの玄武岩の同位体の放射性崩壊記録を見ることで定量化することができ、マントル地球化学者にとって貴重なツールとなっています。^{[2]より具体的には、海底、特に沈み込み帯に沿った}蛇紋岩の地球化学は、特定の微量元素の適合性を使用して調べることができます。^{[9]異なる環境下での}ジルコンへの鉛（Pb）の適合性も、岩石中のジルコンの指標となり得る。ジルコン中の非放射性鉛のレベルを観察すると、ジルコンの放射年代測定に役立つツールとなる。^[10]