沈み込む構造プレートは、地球のマントル内で新たに発見された層に引っかかり、地表で地震を引き起こしている可能性があります。
これまで、 下部マントルは深さ約700 kmから始まり、マントルの大部分を占めるものの、比較的均質で、深くなるにつれて緩やかにしか変化しないと考えられていました。
しかし、私たちの新たな 研究 は、マントル内に粘性が大幅に上昇する層があることを示唆しています。この発見は、私たちの足元のはるか深くで何が起きているのかを理解するうえで、大きな意味を持ちます。
深部に広がる未知の世界
地球のマントルは、惑星内部で最大の層です。深さ約50 kmから3,000 kmにわたり、温度が5,000 Kを超える高温の液体である 外核 と地表をつないでいます。
地球のマントル内の物質の動きは、地表における プレートテクトニクスの動き を引き起こし、最終的に地震や火山につながると考えられています。また、マントルは、マントル鉱物に蓄えられた多くの元素を保持する地球最大の貯蔵庫でもあります。地球の歴史を通じて、かなりの量の物質が深部マントルと地表・大気の間でやり取りされ、地上の生命や気候に影響を与えてきました。
人類は下部マントルを直接調べることができません。人類が掘った 最も深い穴 も深さ約12 kmにすぎないため、地球規模の物質循環については、多くの詳細がほとんど解明されていません。
しかし、地表や大気から深部マントルへ物質が移動する主な仕組みはわかっています。それは、ある構造プレートが 別のプレートの下に滑り込み 、さらにその下へ押し込まれてマントルに入る過程です。
沈み込むプレートを捕らえる層
これまで、多くの研究者は、沈み込むプレートは深さ約700 kmにある上部マントルと下部マントルの境界で停滞するか、下部マントルを通り抜けて深さ3,000 kmの核・マントル境界まで沈んでいくと考えていました。
しかし、私たちの新たな 研究は、Nature Geoscienceの最新オンライン版に掲載されました。この研究は、こうした沈み込むスラブの多くが、実際には下部マントル内にある、これまで発見されていなかった不透過性の岩石層の上で捕らえられている可能性を示しています。
下部マントルの巨大な圧力は25 GPa（ギガパスカル）から135 GPaに及び、物質に意外な挙動をもたらしうることがわかりました。この圧力がどれほど大きいかをイメージするには、エッフェル塔を手の上で支えると、約10 GPaの圧力が生じると考えてみてください。こうした圧力によって、地球のマントル内に硬い層が形成されます。沈み込むプレートはこの層の上で捕らえられる可能性があり、この層は深さ1,500 kmより下で最も高い剛性に達します。
圧力をかけて
この結論は、下部マントルの主要構成物質の一つと考えられている酸化マグネシウム・鉄（フェロペリクレース）を用いた実験室実験を行って導きました。フェロペリクレースをほぼ100 GPaの圧力まで圧縮するため、 ダイヤモンドアンビルセルという高圧装置を用いました。これは、人の髪の毛ほどの大きさのごく小さな試料を、微小なブリリアントカットのダイヤモンド2個の先端で挟んで圧縮する装置です。
圧縮中のフェロペリクレースに高エネルギーX線を照射し、こうした高圧下でどのように変形するかを調べました。その結果、高圧下では、この物質が不可逆的な変形に抵抗する能力が3倍以上に高まることがわかりました。
この結果を用いて、地球の下部マントルで深さに応じて粘性がどう変化するかをモデル化しました。従来の推定では、深さに伴う粘性の変化は緩やかとされていましたが、私たちは下部マントルの上部900 km全体で粘性が劇的に上昇することを見いだしました。
粘性がこれほど大きく上昇すれば、スラブの下降を止め、ひいては地球深部の物質循環に大きな影響を与える可能性があります。こうした新たな知見は、地球内部を伝わる地震波の速度を分析した 3次元画像観測 によっても裏付けられています。この観測も、スラブが深さ1,500 kmに達する前に沈み込みを止めることを示しています。
地表への影響
この硬い層が地球のマントル内に実在するなら、地球深部の物質循環に関する私たちの理解に幅広い影響を及ぼします。下部マントルの上部と下部の間の物質混合を制限し、これまで地球化学的特徴が異なっていたマントル領域が、地質学的な時間を経ても混ざり合わず、別々の領域に隔離されたままになる可能性があります。
さらに、硬い中部マントル層は、地表にずっと近いスラブにも応力を与え、深発地震の引き金となる可能性もあります。
私たちは、惑星内部の仕組みについて、より深く理解するための取り組みを始めたばかりです。その多くは、最終的に地表での私たちの暮らしにも影響を及ぼします。
この記事は、 The Conversationとの共同掲載です。 元の記事をお読みください。
記事の掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味しません。
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著者：ハウケ・マルクヴァルトは、バイロイト大学の鉱物物理学研究者です。
画像：江蘇省南京市の南京地質博物館で、女性と娘が地球の核の構造模型に触れている。REUTERS/Sean Yong
