博 士 論 文 概 要
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全文
(2) 本 研 究 は カ ザ フ ス タ ン 共 和 国 Kokchetav 変 成 帯 の 超 高 圧 変 成 岩 か ら 発 見 し た 新 鉱物である丸山電気石を含む電気石類及びダイヤモンドに着目しそれらの形成過 程について考察することにより，超高圧変成作用における揮発性成分の挙動につ いて論じるものである。超高圧変成岩は地殻物質がマントル中に沈み込み石英の 高圧相であるコース石が形成されるよりも高い圧力の変成作用を被ったものであ り，地球表層から深部への物質循環の直接的証拠として重要である。一般的に超 高圧変成岩の鉱物組成や組織は後退変成作用のため著しく改変されておりこのこ とが変成作用の解析を難しくしているが，本研究では電気石の化学組成が超高圧 変成岩の変成作用履歴解明に資する新たな指標となること及び変成ダイヤモンド の各種スペクトル特性についての効果的な評価によって超高圧変成作用のステー ジを細分できることを示したものである。本論文は全 9 章で構成される。 第 1 章：はじめに 第 1 章は緒言であり，超高圧変成岩を研究する意義，電気石及びダイヤモンド の特徴と地球化学的重要性並びに新鉱物丸山電気石やダイヤモンドを含む超高圧 変成岩類から推定可能なプレート収束帯における物質循環について述べる。本研 究 で 対 象 と し た カ ザ フ ス タ ン 共 和 国 Kokchetav 超 高 圧 変 成 帯 は > 6 GPa・ 1000 ºC という非常に高いピーク変成条件と多量のダイヤモンドを含む岩石が産出するこ とで特徴づけられる。電気石は変成岩中で最も一般的にみられる含ホウ素鉱物で あり，安定領域及び化学組成の幅が広いことから変成作用の履歴を解明するのに よく用いられ，また，ホウ素等の揮発性元素が必須成分であることから地殻物質 の 重 要 な ト レ ー サ ー で あ る 。丸 山 電 気 石 発 見 の き っ か け と な っ た ダ イ ヤ モ ン ド は ， 超高圧条件の指標であるだけでなく，それ自身が揮発性成分の酸化物（二酸化炭 素）をつくる炭素から構成されており，かつラマン分光法等のスペクトル特性と して解析可能な地球深部の情報を保持している鉱物でもある。 第 2 章 ： Kokchetav 変 成 帯 の 地 質 と 対 象 試 料 第 2 章 は Kokchetav 変 成 帯 の 地 質 に つ い て の 概 説 で あ る 。 本 研 究 で 扱 っ た 岩 石 試 料 は 、 Kokchetav 変 成 帯 の う ち 最 も 高 い ピ ー ク 変 成 条 件 を 示 し 、 か つ 最 も ダ イ ヤ モ ン ド が 多 産 す る Kumdy-Kol 地 域 か ら 採 取 さ れ た も の で あ る 。 第 3 章：鉱物学的機器分析手法 第 3 章では本研究で用いた各種分析手法について述べる。特に注意すべき事項 と し て は ， EPMA に よ る 電 気 石 の 化 学 組 成 決 定 方 法 及 び ダ イ ヤ モ ン ド の 正 確 な ラ マンスペクトル評価のための顕微ラマン分光装置の測定条件設定が挙げられる。 第 4 章：新鉱物丸山電気石の鉱物学的特徴と地球科学的意義 第 4 章では，丸山電気石の鉱物学的特徴について述べ，次いでその形成条件や プレート沈み込みに伴う物質循環における役割について考察する。ダイヤモンド と共存しカリウムを主成分とする電気石は本研究により初めて発見された。この 電気石は珪長質な電気石岩中に産し，不連続な組成累帯構造を示す。電気石の中 No. 1.
(3) 心 部（ コ ア ）の み が ダ イ ヤ モ ン ド の 包 有 物 を 含 み ，か つ X サ イ ト の 陽 イ オ ン で は K + が N a + 及 び C a 2 + よ り 卓 越 す る 。コ ア は 全 て 化 学 組 成 的 に o x y - d r a v i t e の K 置 換 体 で あ り ， 2014 年 に 新 鉱 物 「 maruyamaite」 と し て 国 際 鉱 物 学 連 合 （ IMA） に 承 認 さ れ た 。英 名 m a r u y a m a i t e は ，K o k c h e t a v 超 高 圧 変 成 帯 の 研 究 チ ー ム を 率 い た 東 京 工 業大学地球惑星科学専攻の丸山茂徳教授にちなんでおり，和名は「丸山電気石」 と な る 。丸 山 電 気 石 の 結 晶 格 子 定 数 や 原 子 間 距 離 は d r a v i t e 系 列 の 他 の 電 気 石 の も の と 同 程 度 で あ り ， Na+や Ca2+よ り も イ オ ン 半 径 の 大 き い K+の 電 気 石 結 晶 構 造 へ の 固 溶 は 超 高 圧 に よ っ て 可 能 に な る と 推 定 さ れ る 。 Berryman et al. (2015) に よ る 高 温 高 圧 合 成 実 験 に よ り ，丸 山 電 気 石 の 形 成 に は 4 G P a 程 度 の 高 圧 及 び 系 の N a / K が低いことが必須であることが示された。これらより，超高圧条件下における泥 質岩の部分溶融によってカリウムに著しく富む超臨界流体が生じたことが丸山電 気 石 の 成 因 で あ る と 推 定 さ れ る 。 Kokchetav 変 成 帯 の 変 成 ダ イ ヤ モ ン ド の 形 成 に はカリウムに富む流体が関与していたことが複数の研究で示唆されており，本研 究の考察と調和的である。 第 5 章 ： Kokchetav 超 高 圧 変 成 岩 中 の 電 気 石 の 多 様 性 第 5 章では，丸山電気石を含む電気石岩に加えてその他の含ダイヤモンド片麻 岩類に含まれる電気石についても産状の記載及び化学組成分析を行い，その組成 的多様性と共存鉱物から超高圧変成岩中の電気石が示す変成履歴及びその地球化 学 的 重 要 性 に つ い て 考 察 す る 。電 気 石 の 産 状 は 多 様 で あ り ，① 電 気 石 岩 中 の も の ， ②片麻岩中の斑状変晶，③珪長質脈中の柱状結晶及び④粒間を埋める他形結晶が 観 察 さ れ る 。電 気 石 は 化 学 組 成 的 に も 非 常 に 多 様 で あ り ，dravite－ maruyamaite－ schorl－ uvite－ ferriuvite－ foitite 及 び こ れ ら の oxy-種 の 間 の 固 溶 体 を な す 。 産 状 や 化 学 組 成 に 関 わ ら ず ，電 気 石 中 の K は 常 に コ ア か ら リ ム に 向 か っ て 単 調 か つ 不 連 続 に 減 少 し ， 電 気 石 は K 含 有 量 に よ っ て ， 1) K-dominant 電 気 石 ， 2) K -rich 電 気 石 ， 3) K-poor 電 気 石 及 び 4) K-free 電 気 石 に 整 理 す る こ と が で き る 。 さ ら に ， 化学組成によるこれら 4 つの電気石グループはそれぞれ特定の包有物もしくは共 存 鉱 物 の 組 み 合 わ せ を 持 つ 。 化 学 組 成 と 共 存 鉱 物 と の 関 係 か ら ， Kokchetav 変 成 帯に産する電気石の K 含有量は変成温度圧力条件の低下に伴って減少しており K の累帯構造が変成条件の変化を明瞭に記録していると結論付けられる。また，ダ イ ヤ モ ン ド が K - d o m i n a n t 電 気 石 中 に の み 産 出 す る こ と か ら ，K - d o m i n a n t 電 気 石 は 超高圧変成条件下で形成され，その他の電気石はより低圧の後退変成作用時に形 成されたと考えられる。従って，丸山電気石のようなカリウム電気石の存在は新 たな超高圧条件の指標になると結論付けられる。 第 6 章：含丸山電気石電気石岩中のマイクロダイヤモンドの放射線損傷 第 6 章では，丸山電気石及びジルコン中に含まれるダイヤモンドのラマン，フ ォ ト ル ミ ネ ッ セ ン ス（ PL）及 び カ ソ ー ド ル ミ ネ ッ セ ン ス（ CL）の ス ペ ク ト ル 特 性 を比較することにより，ジルコン中のダイヤモンドの各種スペクトル特性変化が No. 2.
(4) 放射線損傷に起因していることを示す。ジルコンは自身のウラン含有量によって 程度の異なる放射線損傷を受けており，その中に包有物として含まれるダイヤモ ンドも放射線損傷により結晶構造が変化し，その結果特徴的なスペクトル特性を 示す。ダイヤモンドについては，成因や熱履歴を推定できる可能性があることか らこれまで様々なスペクトル評価が行われてきたが，本章の結論はスペクトル変 化の原因の一つを特定することにより評価方法を大幅に整理し考察を明瞭にする ものである。 第 7 章 ： Kokchetav 産 マ イ ク ロ ダ イ ヤ モ ン ド の ラ マ ン ， PL 及 び CL ス ペ ク ト ル 特 性 第 7 章では，第 6 章の結論に基づき電気石岩以外の超高圧変成岩中のダイヤモ ンドの各種スペクトル特性を比較して再評価を行う。その結果，ダイヤモンドの ラマンバンドの特徴から，ダイヤモンド中の窒素含有量が岩石のタイプによって 異なっており，それが放射線損傷以外のラマンスペクトル特性変化の主因と考察 された。従って，ダイヤモンドの形成に関与した流体の組成及びダイヤモンドの 形 成 時 期 が ，片 麻 岩 ，炭 酸 塩 岩 及 び 電 気 石 岩 中 で 異 な っ て い る こ と が 示 唆 さ れ る 。 第 8 章：丸山電気石と含ダイヤモンド超高圧変成岩が示す物質循環 第 8 章は，電気石の多様性とダイヤモンドのラマンスペクトル評価から明らか になった変成作用の履歴を基に，プレート収束帯における揮発性元素に着目した 物質循環について考察するものである。ホウ素に富む流体が深部に沈み込んだ片 麻岩に供給され，ホウ珪酸塩メルト成分と水に富む超臨界状態の流体が生じるこ とによって，丸山電気石を多量に含む電気石岩がダイヤモンドの安定領域で形成 され得る。また，ダイヤモンドのラマンスペクトル特性の差異から，ダイヤモン ドの形成ステージが岩石のタイプごとに異なることが示唆される。従って，ホウ 素や炭素を含む流体が超高圧変成岩中に断続的に供給されたことが推察される。 第 9 章：まとめ 第 9 章 は 結 論 で あ る 。 本 研 究 で は ， カ ザ フ ス タ ン 共 和 国 Kokchetav 変 成 帯 の 超 高圧変成岩中の電気石とダイヤモンドに着目した。片麻岩中に産する電気石岩中 よりダイヤモンドと共存するカリウム電気石を発見し，これを丸山電気石と命名 し た 。 電 気 石 の 化 学 組 成 と 共 存 鉱 物 の 検 討 か ら ， Kokchetav 変 成 帯 産 の 電 気 石 の カリウム含有量は圧力条件に依存し，カリウム電気石の存在は新たな超高圧変成 条件の指標となることが示された。また，ダイヤモンドについては本研究で新た に得られた知見を基に系統的なスペクトル評価を行ったところ，放射線損傷の影 響のほか，成因（流体組成）の違いに起因すると考えられるラマンスペクトル特 性の多様性が明らかになった。ダイヤモンドを含む超高圧電気石岩の存在は，ホ ウ素及びカリウムに富む超臨界流体が超高圧条件下で存在していたことを示して いる。これらは，プレート収束帯における地殻物質深部沈み込み時の揮発性成分 の挙動の解明につながるものである。 No. 3.
(5) Ｎｏ.1. 早稲田大学 氏 名. 清水 連太郎. 博士（理学）. 学位申請. 研究業績書. 印 （2017 年 12 月現在）. 種 類 別 論文 (査読あり). 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. ○Maruyamaite, K(MgAl2)(Al5Mg)Si6O18(BO3)3(OH)3O, a potassium-dominant tourmaline from the ultrahigh-pressure Kokchetav Massif, Northern Kazakhstan: Description and crystal structure. American Mineralogist, 2016 年, 101, 355-361, Aaron Lussier, Neil A. Ball, Frank C. Hawthorne, Darrell J. Henry, Rentaro Shimizu, Yoshihide Ogasawara & Tsutomu Ota. ○ Radiation damage to Kokchetav UHPM diamonds in zircon: Variations in Raman, photoluminescence, and cathodoluminescence spectra. Lithos, 2014 年, 206-207, 201–213, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. ○Diversity of potassium-bearing tourmalines in diamondiferous Kokchetav UHP metamorphic rocks: A geochemical recorder from peak to retrograde metamorphic stages. Journal of Asian Earth Sciences, 2013 年, 63, 39–55, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara.. 新 鉱 物 認 Maruyamaite, IMA 2013-123. CNMNC Newsletter No. 20, page 550; Mineralogical Magazine, 2014 年 6 月, 78, 550, Aaron Lussier, Neil A. Ball, Frank C. Hawthorne, Darrell J. Henry, 定 Rentaro Shimizu, Yoshihide Ogasawara & Tsutomu Ota.. 講演 (査読あり). Diversity of the Kokchetav metamorphic diamonds and their formations related with H 2O-rich fluid conditions. GSA Annual Meeting, 2015 年 11 月, Baltimore, Geological Society of America, Yoshihide Ogasawara, Rentaro Shimizu & Kunihiko Sakamaki. Maruyamaite, a new K-dominant tourmaline coexisting with diamond: Significance of tourmaline in UHP rocks. Japan Geoscience Union Meeting 2015, SMP10–06, 2015 年 5 月, 千葉, 日 本地球惑星科学連合, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. （招待講演） Radiation-damage-induced variations in Raman spectra of UHPM microdiamond. Japan Geoscience Union Meeting 2015, SMP10–P07, 2015 年 5 月, 千葉, 日本地球惑星科学連 合, Rentaro Shimizu, Shota Takabe & Yoshihide Ogasawara. （日本地球惑星科学連合 2015 年大会学生優秀発表賞受賞講演） Maruyamaite, a new K-dominant tourmaline coexisting with diamond –an important accessory mineral in UHP rocks. AGU Fall Meeting, V11F–06, 2014 年 12 月, San Francisco, American Geophysical Union, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Radiation damage of the Kokchetav diamonds due to α-particles from zircon –for proper understanding of spectroscopic variations of metamorphic diamonds. AGU Fall Meeting, V23A–2762, 2013 年 12 月, San Francisco, American Geophysical Union, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara..
(6) Ｎｏ.2. 早稲田大学 種 類 別 講演 (査読あり). 題名、. 博士（理学） 発表・発行掲載誌名、. 学位申請. 研究業績書. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. Multi-stage growth of microdiamonds in Kokchetav UHP rocks revealed by Raman, photoluminescence and cathodoluminescence spectra. AOGS 8th Annual Meeting. SE53–A016, 2011 年 8 月, Taipei, Asia Oceania Geoscience Society, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Significance of K-rich tourmalines in UHP gneisses: Geochemical recorder from peak to retrograde metamorphism? AOGS 8th Annual Meeting, SE53–A022, 2011 年 8 月, Taipei, Asia Oceania Geoscience Society, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Tourmaline Chemistry In Diamond-Bearing UHP Pelitic Gneiss. AGU Fall Meeting, V31A-0560, 2006 年 12 月, San Francisco, American Geophysical Union, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Microdiamond and graphite in the Kokchetav UHPM dolomite marble-Occurrence and Raman study. AGU Fall Meeting, V31A-0559, 2006 年 12 月 , San Francisco, American Geophysical Union, Yoko Hashiguchi, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Petrology of UHP Metasomatic Rock from the Kumdy-kol area in the Kokchetav Massif. AGU Fall Meeting, V31A-0561, 2006 年 12 月, San Francisco, American Geophysical Union, Hiroki Iwaoka, Rentaro Shimizu, Yoh Takeuchi & Yoshihide Ogasawara. Characterization of microdiamonds in “K-tourmaline”-rich UHP rock by Raman spectroscopy. 9th General Meeting of the International Mineralogical Association, 90758, 2006 年 7 月, 神 戸, International Mineralogical Association, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Discovery of `K-tourmaline' in diamond-bearing tourmaline-K-feldspar-quartz rock from the Kokchetav Massif, Kazakhstan. AGU Fall Meeting, V43A-1561, 2005 年 12 月, San Francisco, American Geophysical Union, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Discovery of K-tourmaline in diamond-bearing quartz-rich rock from the Kokchetav Massif, Kazakhstan, Mitteilungen der Österreichischen Mineralogischen Gesellschaft (Abstract for 7th International Eclogite Conference), 150, 141, 2005 年 7 月, Seggau (Austria), Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Characterization of microdiamond in pelitic gneisses from the Kokchetav Massif, Kazakhstan –Why no 2nd stage growth? Mitteilungen der Österreichischen Mineralogischen Gesellschaft (Abstract for 7th International Eclogite Conference), 150, 121, 2005 年 7 月, Seggau (Austria), Yoshihide Ogasawara & Rentaro Shimizu. Discovery of K-tourmaline with microdiamond in the Kokchetav UHP rock, Kazakhstan -Implications to boron cycling-,地球惑星科学関連学会 2005 年合同大会, G025-P006, 2005 年 5 月, 千葉, 日本地球惑星科学連合, Rentaro Shimizu & Yoshihide Ogasawara. Microdiamond in pelitic gneisses from the Kokchetav Massif, Kazakhstan, 地球惑星科学関連 学会 2005 年合同大会, G025-P007, 2005 年 5 月, 千葉, 日本地球惑星科学連合, Yoshihide Ogasawara & Rentaro Shimizu..
(7) Ｎｏ.3. 早稲田大学 種 類 別. 題名、. 博士（理学） 発表・発行掲載誌名、. 学位申請. 研究業績書. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. その他 （論文）. チリ共和国アルケロス地区における層準規制型銅鉱床の発見. 資源地質, 63, 69-80, 2013 年, 麻木孝郎, 清水連太郎, 松本尚巳, 細川泰行 & 上条裕久.（資源地質学会技術賞・ (査読なし) 日本鉱業協会賞受賞論文） ラオス国ビエンチャン県ムン南部地域における銅探鉱について. 資源地質, 61, 109–120, 2011 年, 清水連太郎, 濱友紀, 小坂哲也, 日下良太, 松本尚己, 高原弘幸, 初谷和則 & 椛島太郎..
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