『Abstract
This contribution describes primary basalt mineral saturation
in surface- and up to 90℃ ground waters in a tholeiite flood basalt
region in northern Iceland. It is based on data on 253 water samples
and the mineralogical composition of the associated basalts. Surface
waters are significantly under-saturated with plagioclase and
olivine of the compositions occurring in the study area, saturation
index (SI) values ranging from -1 to -10 and -5 to -20, respectively.
With few exceptions these waters are also significantly under-saturated
with pigeonite and augite of all compositions (SI = -1 to -7)
and with ilmenite (SI = -0.5 to -6). The surface waters are generally
over-saturated with respect to the titano-magnetite of the compositions
occurring in the basalts of the study area, the range in SI being
from -2 to +10. For crystalline OH-apatite, SI values in surface
waters range from strong under-saturation (-10) to strong over-saturation
(+5) but for crystalline F-apatite they lie in the range 0 to
15. Systematic under-saturation is, on the other hand, observed
for “amorphous apatite,” i.e. an apatite of the kind Clark (1955)
prepared by mixing Ca(OH)2 and H3PO4 solutions. Like surface waters, ground waters
are under-saturated with plagioclase and olivine, its degree increasing
with increasing Ca content of the plagioclase and increasing Fe
content of the olivine, the SI values being -2 to -7 and 0 to
-4 for the Ca-richest and Ca-poorest plagioclase, respectively,
and about -3 to -18 and 0 to -15 for forsterite and fayalite,
respectively. Ground waters are generally close to saturation
with pigeonite and augite of all compositions. However, some non-thermal
ground waters in highland areas are strongly under-saturated.
Above 25℃ the ground waters are ilmenite under-saturated but generally
over-saturated at lower temperatures. These waters are titano-magnetite
over-saturated at temperatures below 70℃, the SI values decreasing
with increasing temperature from about 6 to 8 at 10℃ to 0 at 70℃.
The ground waters are highly over-saturated with both crystalline
OH- and F-apatite, or by approximately 10 to 15 SI units but close
to saturation with “amorphous apatite” containing about equal
amounts of F and OH. The results presented here for the pyroxenes
carry an unknown error because available thermodynamic data do
not permit but a simple solid solution model for the calculation
of their solubility. Published values on the dissociation constants
for ferrous iron hydroxide complexes are very variable and yhose
for ferric iron are limited. This casts an error of an unknown
magnitude on the calculated SI values for all iron bearing minerals.
This error may not be large for waters with a pH of less than
9 but it is apparently high for waters with s higher pH. Improved
experimental data on the stability of ferrous and ferric hydrolysis
constants are needed to improve the accuracy by which Fe-mineral
saturation can be calculated in natural waters.』
『要旨
本論文は、北部アイスランドのソレアイト質洪水玄武岩地域での、地表水および90℃までの地下水における玄武岩初生鉱物の飽和度について述べている。253の水試料およびそれに伴う玄武岩の鉱物組成のデータを基にしている。表面水は、研究地域において斜長石およびかんらん石にかなり未飽和であり、飽和指数（SI）はそれぞれ-1〜-10および-5〜-20である。わずかの例外はあるが、地表水はまたピジョン輝石とオージャイトのすべての組成に（SI＝-1〜-7）およびチタン鉄鉱（SI＝-0.5〜-6）に対してかなり未飽和である。表面水は一般に研究地域の玄武岩中に存在する組成のチタノマグネタイトに関して過飽和であり、SIは-2〜+10である。結晶質OH-燐灰石に対して、表面水のSI値は強い未飽和（-10）から強い過飽和（+5）までの範囲をとるが、結晶質F-燐灰石に対しては0〜15の範囲にある。他方、系統的な未飽和が『非晶質燐灰石』、すなわちClark（1955）がCa(OH)2 と H3PO4
溶液を混合してつくったような燐灰石、に観察される。表面水のように、地下水は斜長石とかんらん石に未飽和であり、その度合は、斜長石のCa成分の増加およびかんらん石のFe成分の増加とともに増え、SI値はCaに最も富む斜長石およびCaに最も乏しい斜長石についてそれぞれ-2〜-7および0〜-4であり、苦土かんらん石および鉄かんらん石についてそれぞれ-3〜-18および0〜-15である。地下水は一般にすべての組成のピジョン輝石とオージャイトに対して飽和に近い。しかし、高地地域での非熱水地下水のいくらかは強く未飽和である。25℃以上で、地下水はチタン鉄鉱に未飽和であるが、一般に低温では過飽和である。これらの水は、70℃以下の温度でチタノマグネタイトに過飽和であり、SI値は、10℃での6〜8から70℃での0まで温度上昇とともに減少する。地下水は結晶質のOH-およびF-燐灰石の両方に非常に過飽和で、ほぼ10〜15
SI単位であるが、およそ等しい量のFとOHを含む『非晶質燐灰石』とは飽和に近い。輝石に対してここで示した結果は、未知の誤差を含み、それはそれらの溶解度の計算のために単一固溶体モデル以外に有効に使える熱力学データがないためである。第一鉄水酸化物錯体に対する解離定数の報告されている値は、非常に変動しており、第二鉄についてのデータは限られている。このことは、すべての鉄を含む鉱物に対するSIの計算値に未知の量の誤差を与えている。この誤差は9以下のpHをもつ水に対して大きくはないだろうが、もっと高いpHをもつ水に対しては明らかに大きくなる。第一鉄と第二鉄の加水分解定数の安定性を改善した実験データが、Fe鉱物の飽和状態を天然水において計算できるような精度に、改善するために必要である。』
1. Introduction
2. Geological and hydrological features
3. Sampling, analytical methods and analytical precision
3.1. Rocks
3.2. Waters
4. Bedrock petrology and primary mineral compositions
5. Water compositions
6. Aqueous speciation and mineral solubilities
6.1. Speciation calculations and species distribution
6.2. Mineral solibilities
6.2.1. Thermodynamics of minerals
6.2.2. Thermodynamics of aqueous species and mineral solubility
constants
7. Primary mineral saturation state
7.1. Plagioclase
7.2. Olivine
7.3. Pigeonite and augite
7.4. Fe-Ti-oxides
7.5. Apatite
8. Discussion
8.1. CO2 and silica
8.2. Mineral solubility constants and saturation indices
8.3. Fe-species distribution
8.4. Mineral saturation
9. Summary and conclusions
Acknowledgments
References