ミネラル酸化還元緩衝液

地質学では、酸化還元緩衝液は、温度の関数として酸素フガシティを制限する鉱物または化合物の集合体です。岩石が形成され進化する酸化還元条件 (または同等の酸素フガシティ) に関する知識は、岩石の歴史を解釈する上で重要になることがあります。鉄、硫黄、マンガンは、複数の酸化状態で存在する、地殻に比較的豊富に存在する 3 つの元素です。たとえば、地殻で 4 番目に豊富な元素である鉄は、天然鉄、 第一鉄(Fe ²⁺ )、および第三鉄(Fe ³⁺ ) として存在します。岩石の酸化還元状態は、これらの元素の酸化状態の相対的な割合に影響するため、存在する鉱物とその組成の両方を決定する可能性があります。岩石に酸化還元緩衝液を構成する純粋な鉱物が含まれている場合、平衡時の酸素フガシティは、付随するフガシティ-温度図の曲線の 1 つによって定義されます。

酸化還元緩衝液は、鉱物の安定性や岩石の履歴を調べる実験室実験で酸素のフガシティを制御する目的で開発されました。フガシティ-温度図にプロットされた各曲線は、緩衝液で起こる酸化反応のものです。これらの酸化還元緩衝液は、特定の温度で酸素のフガシティが減少する順にここにリストされています。言い換えると、プロットされた温度範囲で、より酸化的な条件からより還元的な条件の順です。緩衝液の集合体にすべての純粋な鉱物 (または化合物) が存在する限り、酸化条件はその緩衝液の曲線上に固定されます。圧力は、地殻内の条件に対するこれらの緩衝液曲線にわずかな影響しか与えません。

MH:磁鉄鉱-ヘマタイト:

4 Fe ₃ O ₄ + O ₂ ⇌ 6 Fe ₂ O ₃

NiNiO:ニッケル- 酸化ニッケル:

2 Ni + O ₂ ⇌ 2 NiO

FMQ:ファイアライト-マグネタイト-クォーツ:

3 Fe ₂ SiO ₄ + O ₂ ⇌ 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂

WM:ウスタイト-磁鉄鉱:

3 Fe _1−x O + O ₂ ~ Fe ₃ O ₄

IW:鉄-ウスタイト:

2 (1-x) Fe + O ₂ ⇌ 2 Fe _1−x O

QIF:石英-鉄-ファイアライト:

2 Fe + SiO ₂ + O ₂ ⇌ Fe ₂ SiO ₄

^{岩石内の Fe 2+}と Fe ³⁺の比率は、岩石のケイ酸塩鉱物と酸化鉱物の組み合わせをある程度決定します。特定の化学組成の岩石内では、鉄は全体の化学組成と、その温度と圧力で安定している鉱物相に基づいて鉱物に入ります。たとえば、MH (磁鉄鉱-赤鉄鉱) バッファーよりも酸化力の高い酸化還元条件では、少なくとも鉄の多くは Fe ³⁺として存在する可能性が高く、鉄を含む岩石では赤鉄鉱が鉱物である可能性があります。鉄は、 Fe ²⁺として存在する場合にのみ、オリビンなどの鉱物に入り込む可能性があります。Fe ^{3+ は、}ファイアライトオリビンの格子には入り込めません。ただし、マグネシウムなどのオリビンの元素は、 Fe ²⁺を含むオリビンを、ファイアライトの安定性に必要な条件よりも酸化力の高い条件に安定化させます。磁鉄鉱とチタンを含む端成分であるウルボスピネルとの固溶体は、磁鉄鉱の安定フィールドを拡大します。同様に、IW（鉄ウスタイト）緩衝液よりも還元的な条件では、輝石などの鉱物に Fe ^{3+が含まれることがあります。したがって、酸化還元緩衝液は、鉱物や岩石中の Fe 2+}と Fe ³⁺の割合のおおよその目安にすぎません。

陸生火成岩は一般に、WM (ウスタイト-マグネタイト) 緩衝液よりも酸化性が高く、ニッケル - ニッケル酸化物 (NiNiO) 緩衝液よりも 1 対数単位ほど還元性の高い酸素フガシティで結晶化を記録します。したがって、それらの酸化条件は、FMQ (ファイアライト-マグネタイト-石英) 酸化還元緩衝液の条件とそれほど変わりません。それでも、構造環境と相関する体系的な違いがあります。島弧に定着して噴出した火成岩は一般に、NiNiO 緩衝液よりも 1 対数単位以上酸化性の高い酸素フガシティを記録します。対照的に、島弧以外の環境にある玄武岩と斑れい岩は一般に、FMQ 緩衝液とほぼ同じ酸素フガシティから、その緩衝液よりも 1 対数単位ほど還元性の高い酸素フガシティまでを記録します。

堆積岩の堆積および続成作用のいくつかの環境では、酸化条件が一般的です。MH バッファー (磁鉄鉱-ヘマタイト) での酸素のフガシティは 25 °C で約 10 ^{−70に過ぎませんが、}地球の大気では約 0.2 気圧であるため、一部の堆積環境はマグマの環境よりもはるかに酸化的です。黒色頁岩の形成環境など、他の堆積環境は比較的還元的です。

変成作用中の酸素フガシティは、堆積岩から受け継いだより酸化力の高い組成のため、マグマ環境よりも高い値にまで達します。変成した縞状鉄鉱層の中には、ほぼ純粋な赤鉄鉱が存在します。対照的に、蛇紋岩の中には、天然のニッケル鉄が存在します。

隕石内では、鉄-ウスタイトの酸化還元緩衝液が、これらの地球外システムの酸素の逃避性を説明するのにより適しているかもしれません。

黄鉄鉱(FeS ₂ ) や磁硫鉄鉱(Fe _1−x S)などの硫化鉱物は、多くの鉱床に存在します。黄鉄鉱とその多形である白 鉄鉱も、多くの石炭鉱床や頁岩で重要な役割を果たしています。これらの硫化鉱物は、地球の表面よりも還元的な環境で形成されます。酸化性の表層水と接触すると、硫化物は反応して硫酸塩 (SO ₄ ^{2− ) を形成し、水は酸性になり、さまざまな元素を帯び、その一部は潜在的に有毒になります。}酸性鉱山排水の項目で説明されているように、その結​​果は環境に有害となる可能性があります。

硫黄の硫酸塩または二酸化硫黄への酸化は、 1991年のピナツボ火山^[3]や1982年のエルチチョン火山のような硫黄を多く含む火山噴火の発生にも重要である。これらの噴火は異常に大量の二酸化硫黄を地球の大気に放出し、大気の質と気候に影響を与えた。マグマは異常に酸化性が高く、NiNiO緩衝層よりもほぼ2対数単位高かった。硫酸カルシウム、無水石膏は、噴出したテフラ中に斑晶として存在していた。対照的に、硫化物にはマグマ中の硫黄のほとんどが含まれており、FMQ緩衝層よりも還元性が高い。

• エリンガム図
• 規範鉱物学

• Lindsley, Donald H. 編 (1991)。「酸化鉱物：岩石学的および磁気的意義」鉱物学レビュー第 25 巻。ワシントン (DC)：米国鉱物学会。p. 509。ISBN 0-939950-30-8。

• Lindsley, Donald H. 編 (2018)。「酸化鉱物：岩石学的および磁気的意義」鉱物学と地球化学のレビュー。De Gruyter。ISBN 978-1-5015-0868-4. 2024年4月8日閲覧。

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