地球/火星の初期の歴史における巨大な鉄の質量移動:原始的な地球/火星の海の主要なプレーヤーとしての第一鉄ホウ酸塩の水性複合体?|海洋

鉄は、地球の地殻で 4 番目に豊富な元素です。私たちの地球の歴史の初期には、原始海洋で鉄の大規模な移動があり、その結果、地質学では帯状鉄層 (BIF) と呼ばれる印象的な鉄鉱床が形成されました。私たちの現在の文明は、主にそのような鉄鉱床の利用の上に成り立っています。初期の地球の大気では、酸素の分圧、P_O2 、10気圧未満でした。このような還元条件下では、溶存鉄は原始海洋に第一鉄として存在していました。

しかし、研究者たちは長い間、原始海洋における鉄の大量輸送に役割を果たしているものに興味をそそられてきました.もっともらしい答えは、水性第一鉄ホウ酸錯体、FeB(OH)₄ かもしれません。、地球の初期の歴史において鉄の大量輸送において重要な役割を果たした可能性があります.

Sandia National Laboratories の研究者によって行われた最近の研究 (Xiong et al., 2018) で、著者らは、FeB(OH)_{4<の化学量論比で、第一鉄 Fe がホウ酸塩と比較的強い錯体を形成することを発見しました。 /サブ> .形成定数 (log₁₀ ß₁ ) FeB(OH)₄ の場合、これは以前は知られていなかったもので、次の反応で表現されています。}

Fe + B(OH)₄ – ⇌ FeB(OH)₄

は、25℃で 3.70 ± 0.10 (2σ) と決定されます。より高い温度では、この水性複合体の強度が強くなると予想されます。つまり、形成定数が高くなり、したがって、より多くの Fe(II) が FeB(OH)₄ として錯化されます。 .

中性に近いがわずかにアルカリ性の原始海洋の pH 条件下では、FeB(OH)₄ ホウ酸塩は原始海洋にかなりの濃度で存在し、蒸発したホウ酸塩前駆体を形成すると予想されるため、原始地球の表面で鉄の輸送に重要だった可能性があります (例えば、Grew et al., 2011)。

図 1 は、ほぼ中性からわずかにアルカリ性の pH までの 25℃ での pH の関数としての Fe(II) のスペシエーションを示しています。図 1 は、FeB(OH)₄ は Fe 以外の優占種です。 FeCl、FeOH、FeHCO₃ などの他の種、FeCO₃ (aq) FeB(OH)₄ と競合できない .上記の計算は 25℃ で行われていることに注意してください。地球の初期の歴史の表面温度は 70 ± 15 ℃ (Knauth and Lowe, 2003) であると推定され、原始海洋のホウ酸塩濃度はより高かった可能性があるため、FeB(OH)_{の強度は4} 原始海洋のわずかにアルカリ性のpHではるかに強かったと予想されます.

FeB(OH)₄の強い依存性 pH に関する研究は、地球の初期の歴史における鉄の沈着の実行可能なメカニズムも提供します。鉄はわずかにアルカリ性の pH の領域から輸送された可能性があります。鉄が中性付近の pH 領域に達すると、鉄は FeB(OH)₄ として輸送されます。 FeB(OH)₄ 中性付近の pH では弱い種になり、鉄相に対して過飽和になります。

最近、火星に高濃度のホウ酸塩を含む蒸発層があることが報告されています (Gasda et al., 2017)。 FeB(OH)₄ と推測できます火星の初期の歴史において、大規模な鉄の物質移動で同様の役割を果たした可能性があります.

放射性廃棄物管理の分野では、FeB(OH)₄ 役割も期待されています。まず第一に、ホウ酸塩は、Am(III) などの +III 酸化状態のアクチニドの類似体である Nd(III) (Borkowski et al., 2010) と水性錯体を形成することができます。ホウ酸塩が地質処分場で Am(III) と水性複合体を形成する場合、ホウ酸塩との複合体形成は Am(III) の移動性に寄与します。 Am(III) とホウ酸塩の錯化も、Am(III) の溶解度を高めます。

核廃棄物を処分するための地層処分場では、鉄は廃棄物容器および廃棄物として処分場に存在し、地層からのホウ酸塩濃度と、高レベル核廃棄物 (HLW) のホウケイ酸塩廃棄物形態の分解が重要になる可能性があります。したがって、FeB(OH)₄ の形成 Am(III) との錯体形成に利用できる可溶性ホウ酸塩の量を減らすことができます。ただし、ホウ酸塩の存在は、鉄ベースの容器の腐食を促進する可能性もあります.

謝辞

サンディア国立研究所は、米国エネルギー省の国家核安全保障局との契約 DE-NA-0003525 に基づき、Honeywell International, Inc. の完全所有子会社である National Technology and Engineering Solutions of Sandia, LLC. が運営するマルチミッション研究所です。 . SAND2019-2424 W.

参考文献

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Borkowski, M., Richmann, M., Reed, D.T. and Xiong, Y., 2010. Nd (III) と四ホウ酸イオンの錯体形成と、WIPP 塩水中のアクチニド (III) 溶解度に対するその影響。 Radiochimica Acta 核科学および技術の化学的側面に関する国際ジャーナル、98(9-11)、pp.577-582。

Gasda, P.J., Haldeman, E.B., Wiens, R.C., Rapin, W., Bristow, T.F., Bridges, J.C., Schwenzer, S.P., Clark, B., Herkenhoff, K., Frydenvang, J. and Lanza, N.L. 、2017年。火星のChemCamによるホウ素の現場検出。 Geophysical Research Letters、44(17)、pp.8739-8748。

Grew, E.S., Bada, J.L. and Hazen, R.M., 2011. ホウ酸ミネラルと RNA ワールドの起源。生命の起源と生物圏の進化、41(4)、pp.307-316.

Knauth, L.P., Lowe, D.R., 2003. 南アフリカの 3.5 Ga スワジランドスーパーグループにあるチャートの酸素同位体地球化学から推定される始生代の高い気候温度。 Geol Soc Am Bull 115:566–580.

Nordstrom, D.K., et al., 1979, 水性システムにおける平衡計算のためのコンピュータ化された化学モデルの比較, in Jenne, E.A., editor, Chemical Modeling in Aqueous Systems, ACS Symposium Series, v. 93, American Chemical Society 、ワシントンDC、p。 857-892.

Xiong, Y., Kirkes, L., Knox, J., Marrs, C. および Burton, H., 2018.溶解度測定からの℃：還元環境における鉄の輸送への影響。化学地質学、493、pp.16-23。