ジルコン地質温度測定におけるチタン

ジルコン中のチタン地質温度測定法は、ジルコン結晶の結晶化温度を結晶格子にのみ存在するチタン原子の量から推定する地質温度測定法の一種 である。ジルコン結晶では、チタンが組み込まれ、同様に帯電したジルコニウム原子とシリコン原子が置き換わる。このプロセスは圧力による影響が比較的少なく、温度に大きく依存し、組み込まれるチタンの量は温度とともに指数関数的に増加するため、^{[1] [2]}正確な地質温度測定法となる。ジルコン中のチタンのこの測定結果を使用して、結晶の冷却温度を推定し、結晶化の状況を推測することができる。結晶の成長年輪の組成変化を使用して、結晶全体の熱力学的履歴を推定することができる。この方法は、ジルコン結晶で一般的に使用される放射年代測定法（ジルコン地質年代測定法を参照）と組み合わせて、定量的な温度測定値を特定の絶対年代と相関させることができるため有用である。この技術は、初期の地球の状態を推定したり、変成岩相を特定したり、砕屑性ジルコンの起源を特定したりするために使用できます。

ジルコン（（Zr _1–y、REE _y）（SiO ₄）_1–x（OH）_4x–y））は、地球の地殻全体に付随鉱物として一般的に見られるオルトケイ酸塩鉱物です。 ^[3]ジルコンは、その結晶構造と地球化学のため、地質学者が地質年代計や地質温度計として使用することから、よく分析される鉱物です。

化学的には、ジルコンは多くの微量元素を取り込むことができるため、特に有用な鉱物です。これらの元素の多くは、結晶の年代を決定するための放射年代測定に使用できます。ジルコンは、ウラン、トリウム、イットリウム^[4]、ルテチウムなどの希土類元素（REE）を交換することが知られています。ただし、これらのREE置換の化学ポテンシャルエネルギーは十分に理解されていないため、結晶化温度の決定には適していません。チタンもジルコンに組み込まれており、その交換率は詳細に研究されています。四価イオンであるTi ^{4+は、温度依存メカニズムでZr 4+}またはSi ^{4+ を}置換できます。TiO ₂が存在するジルコン、つまり鉱物ルチルでは、この置換プロセスは一般的であり、測定できます。^{[1]ジルコンは、ウラン、ルテチウム、}サマリウム、^[5]酸素^[6]などの他の元素の組み込みを分析することで、結晶が成長した年代や条件についてさらに詳しく知ることができるため、有用である。

熱的には、ジルコンは温度変化や極端な温度に耐性があります。常圧で1690℃まで安定しており、熱膨張率は低いです。ジルコンの結晶は、最も圧縮しにくいケイ酸塩鉱物の1つでもあります。^[3]また、ジルコンは耐久性が高いため、他のケイ酸塩鉱物の周囲で結晶化し、特定の圧力と温度でマグマが発生したことを示す周囲の溶融物のポケットまたは包有物を形成します。これは本質的に、結晶が形成された過去の状況を垣間見ることができるタイムカプセルを形成します。^[7]

ジルコンは、取り込まれた同位体を比較的保持することで知られており、そのため微量定量研究に非常に有用である。REE、^[8] U、Th、Hf、^[9] Pb、^[10]および Ti ^[11]などの陽イオンはジルコンからゆっくりと拡散し、鉱物中のそれらの測定量は、成長中の結晶の周囲の溶融状態を診断するものである。取り込まれた多くの元素の拡散速度が遅いため、ジルコン結晶は、溶融体の組成またはエネルギー状態が時間の経過とともに結晶の周囲で変化するにつれて、振動ゾーニングまたはセクターゾーニングを表す可能性のある組成ゾーニングを形成する可能性が高くなります。^[12]これらのゾーンは、結晶の中心と縁の間の組成の違いを示し、溶融体の状態の変化の目に見える証拠を提供します。^[13]拡散速度が遅いため、結晶からの同位体の漏出や損失による汚染も防止され、時系列および組成の測定が正確になる可能性が高くなります。

このセクションでは、サンプルの収集、鉱物の分離、マイクロプローブ分析用のマウント、そして微量元素分析で終わる、ジルコンのチタン含有量を測定するプロセスについて説明します。岩石が収集されると、ジルコンは、異なる密度と特性に基づいて鉱物を分離するために、ふるい、重液、振動台、磁気分離などの一連の技術を使用して抽出されます。次に、ジルコン結晶はエポキシまたは金属の円盤状のスライドにマウントされ、^{[14]約半分の厚さに削られて内部構造が現れます。ここから、}カソードルミネッセンスを使用して画像化し、鉱物の帯状構造を可視化できます。帯状構造が明らかな場合は、結晶の中心から縁に向かってTiの存在量を複数回測定して、結晶の温度変化を得ることができます。

最後のステップは、イオンマイクロプローブを使用してジルコン結晶の特定の場所におけるチタンの存在量を測定することです。このため、ジルコンの化学組成は二次イオン質量分析法を使用して測定されます。サンプルに一次イオンのビームを照射し、放出された二次イオンの電荷と質量を測定して、接触点における化学組成を決定します。次に、チタン含有量の定量値を既知のチタン取り込みと温度の関係と比較し、ジルコンのそのゾーンの結晶化温度を決定します。チタンと温度の関係は、周囲の岩石の既知の融点を持つ、放射年代測定されたジルコンを使用して計算されました。このジルコン中のチタンの測定は、多くの地質学的イベントの結果として生じた温度変化を記録している可能性のあるゾーンジルコンで複数回行うことができます。^{[1] [2] [15]}

この技術を使用すると、ジルコンの結晶化温度を推定して、結晶の冷却温度を推定できます。このような地質温度測定技術は、さまざまな環境の温度変化、岩石の熱力学的進化、地質時代にわたる地熱勾配の段階的変化の証拠を提供し、砕屑性堆積物の起源を判定できます。U/Pb 崩壊などの放射性崩壊を使用して岩石の年代を測定する地質年代測定技術と組み合わせると、これらの古温度測定値を絶対年代と組み合わせて、時間の経過に伴う温度変化を判定できます。

これまで、ジルコン中のチタンによる地質温度測定は、火成岩で冥王代（40億年以上）のジルコン結晶からマグマの冷却温度を推定するために使用されてきた。この時代のジルコンの結晶化温度が低いことは、冥王代地球には液体の水があり、それが地殻物質の冷却温度を下げたことを示唆している。^[2]地球最古のジルコンのジルコン中チタン温度測定は、マグマ性の冥王代地球からプレートテクトニクスの開始まで、地球の地殻が冷え塑性変形を起こし始めるにつれて、熱損失が進行することを示す可能性がある。これは、初期地球の状態に関するこれまで知られていなかった証拠を提供し、冥王代と始生代を通じて地球がどのように進化したかに関する考えを検証することを可能にする。

ジルコン中のチタン地質温度測定は、変成岩中のジルコンで使用して、変成作用中の圧力と温度の条件を推定することができます。これは、変成相を特定し、岩石層の地質学的状況を特定するのに役立ちます。^{[16] [17]また、}堆積岩で使用して、砕屑性鉱物の起源を特定するのに役立ちます。ただし、これらの結晶は、亀裂に浸透した外部のチタンによって汚染されることがあります。^{[1] [15]}

ジルコン中のチタン地質温度測定法は、ジルコンの結晶化温度を決定する比較的信頼性が高く正確な方法であると考えられており、誤差はわずか10～16℃です。^[2]しかし、この技術には誤差の範囲を広げるいくつかの制限と仮定が使用されています。

この技術の主な制約は、チタンまたは鉱物ルチル（TiO ₂ ）を含むシステムでのみ使用できることです。チタンがまったくまたは非常に少ないシステムでは、マグマ溶融物にチタンが存在しない場合はジルコンにチタンが組み込まれないため、この方法は意味がありません。^[2]ただし、最近のモデルでは、シリコンとジルコンの独立した活動を利用して、結晶内のシリコンまたはジルコニウムのいずれかをチタンに置き換えるジルコンの能力が考慮されています。^[18]地球の地殻にはシリコンが豊富に存在するため、これにより起源が不明なジルコンの潜在的な用途が拡大しました。一部のジルコン結晶では、鉱物石英（SiO ₂）の包有物が結晶化中にシリコンが存在した証拠として使用できるため、この地質温度計の使用が検証されます。

ジルコンには放射性元素が豊富に含まれているため、メタミクチゼーションのプロセスを通じて放射性崩壊による損傷も受けやすくなります。結晶格子内の放射性元素が崩壊すると、放射性粒子が結晶内部に衝突します。これにより結晶が弱くなり、破損または破壊されます。^[15]これにより、同位体が結晶から漏れ出し、チタンやその他の元素の測定に影響を及ぼす可能性が高くなります。

この微量分析のもう一つの難しさは、外面のチタン汚染です。最近の研究では、イオンマイクロプローブマウントの表面の金コーティングに懸念が表明されています。これには微量のチタン（約1 ppm）が含まれており、測定中に誤差が生じる可能性があります。堆積性源で見つかった砕屑性ジルコンでは、表面とジルコンの破片にチタンを含む酸化物コーティングがあり、結晶を過剰なチタンで汚染する可能性もあります。^[1]

さらに最近の研究では、ジルコンへのTiの取り込みに寄与する未知の要因が他にもあることが示されています。SiO2の化学活性_、圧力変動、溶融物からの非平衡結晶化、含水溶融物における結晶成長の遅れ、またはジルコン結晶におけるヘンリーの法則に従わない置換はすべて、予測される結晶化温度を変える役割を果たす可能性があります。^[19]

この技術は、いくつかの仮定によって制約されており、それらは妥当ではあるものの、特定の状況では矛盾する可能性がある。実験室での研究では、冷却温度を計算する際に一定の圧力を使用し、圧力はチタンの取り込みに大きな役割を果たさないと仮定している。冷却温度を推定する場合、圧力の上昇は温度の推定値の上昇によって考慮されるため、推定値の不確実性が増す。^[18]