Deuterium content and site occupancy in iron sulfide at high pressure and temperature determined using in situ neutron diffraction measurements

高温高圧下における硫化鉄の重水素含有量とサイト占有率の中性子回折その場測定による決定

Abeykoon, S.*; Howard, C.*; Dominijanni, S.*; Eberhard, L.*; Kurnosov, A.*; Frost, D. J.*; Boffa Ballaran, T.*; 寺崎 英紀*; 坂巻 竜也*; 鈴木 昭夫*; 大谷 栄治*; 佐野 亜沙美   ; 阿部 淳*

Abeykoon, S.*; Howard, C.*; Dominijanni, S.*; Eberhard, L.*; Kurnosov, A.*; Frost, D. J.*; Boffa Ballaran, T.*; Terasaki, Hidenori*; Sakamaki, Tatsuya*; Suzuki, Akio*; Otani, Eiji*; Sano, Asami; Abe, Jun*

少量の硫化鉄鉱物は、地球のマントルから産出するほとんどの岩石や、天然のダイヤモンドに内包物として含まれている。水素は高温高圧下で硫化鉄鉱物に溶解している可能性があるが、地表の温度と圧力では失われている。本研究では、高温高圧下における硫化鉄中の重水素量を、11.4GPa, 1300Kまでの条件でJ-PARCのPLANETでの6軸型マルチアンビルプレスを用いたその場観察中性子回折実験により決定した。硫化鉄水素化物中の全重水素含有量は高温高圧下で増加することが明らかになった。この結果を用いて、大陸深部のリソスフェアマントル中の硫化鉄鉱物の水素含有量を見積もったところ、1700-2700ppmの範囲にあることがわかった。これはバルクマントル中の約2-3ppmの水素に相当する。

Small amounts of iron sulphide minerals are found in most rocks from the Earth's mantle and as inclusions trapped in natural diamonds. Hydrogen may dissolve into iron sulphide minerals under high pressures and temperature, but is most likely lost once pressure and temperature are removed. In this study, we determined deuterium contents in iron sulphide, held under high pressure and temperature conditions, using neutron diffraction measurements with 6-ram multi-anvil press at PLANET, J-PARC. Deuterium contents in iron sulphide were measured at high-P, up to 11.4 GPa and high-T to 1300 K in in situ neutron diffraction experiments. The total deuterium content increases with both P and T. The results are used to estimate hydrogen contents of iron sulphide minerals in the deep continental lithospheric mantle, which are found to be in the range 1700-2700 ppm. This corresponds to approximately 2-3 ppm of hydrogen in the bulk mantle.