MITの地質学者らは、海嶺から噴出した物質を用いて地球内部の温度を推定した。
これにより、時間の経過とともにプレートテクトニクスの速度を左右しうるプロセスについて、科学者たちがより深く理解できることが期待されている。
もし地球の海がすべて排水されたとすれば、地球全体を取り囲むように蛇行する、海底火山の巨大な連なりが姿を現すだろう。この広大な海嶺系は、地球内部で物質が循環することによって形成されたものである。そこでは高温によって岩石が溶融・上昇して地殻を突き破り、海底を裂いて、数億年にわたって惑星の表面を作り変えてきた。
さてMITの地質学者らは、海嶺に沿って噴出した物質の試料を数千点分析し、その化学的履歴を遡ることで、地球内部の温度を推定した。
分析の結果、地球の海嶺下の温度は比較的一定しており、およそ摂氏1,350度であることが示された。これはガスコンロの青い炎とほぼ同じ温度である。ただし、海嶺沿いには摂氏1,600度に達しうる「ホットスポット」が存在し、これは最も高温の溶岩に匹敵する。
研究チームの成果は、『Journal of Geophysical Research: Solid Earth』誌に掲載されており、海嶺周辺における地球内部の温度分布図を提供するものである。この分布図によって、科学者たちは海底火山を生じさせる溶融プロセスをより深く理解でき、またこれらのプロセスが時間の経過とともにプレートテクトニクスの速度をどのように左右しうるかを把握できる。
「対流とプレートテクトニクスは、地球の歴史を形作る上で重要なプロセスであり続けてきた」と、筆頭著者であるMITの地球・大気・惑星科学部（EAPS）のポストドクターStephanie Brown Kreinは述べている。「この海嶺全体に沿った温度を知ることは、地球を熱機関として理解し、地球がほかの惑星とどのように異なり、生命を維持しうるのかを理解する上で基本的に重要である」。
Kreinの共著者には、EAPSの大学院生Zachary Molitorと、MITのR.R. Schrock地質学教授であるTimothy Groveが含まれる。
化学的履歴
地球内部の温度は、数億年にわたる地表の形成において重要な役割を果たしてきた。しかし、地表から数十キロメートルから数百キロメートル下の温度を直接読み取る方法はこれまで存在しなかった。科学者たちは、地殻の直下にある地球の層である上部マントルの温度を推定するため、間接的な手法を用いてきた。しかし、これまでの推定結果は決定的なものではなく、地表下でどの程度温度が変化しているのかについても、科学者の間で見解が分かれている。
今回の新たな研究のために、Kreinらは「ReversePetrogen」と呼ばれる新しいアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは、岩石の化学的履歴を時間的に遡って追跡し、元の元素組成を特定するとともに、その岩石が地表下で最初に溶融した温度を決定するよう設計されている。
このアルゴリズムは、Groveの研究室で長年にわたって行われてきた、地球内部の溶融プロセスを再現・特性評価するための実験に基づいている。研究室の研究者たちは、さまざまな組成の岩石をさまざまな温度と圧力で加熱し、その化学的変化を観察してきた。これらの実験から、チームは岩石の温度、圧力、化学組成の関係を予測する方程式を導出し、最終的に新しいアルゴリズムを構築することができた。
Kreinらは、地球の海嶺沿いで採取された岩石に、この新しいアルゴリズムを適用した。海嶺は、全長70,000キロメートルを超える海底火山の連なりである。海嶺は、地球のマントルから噴出した物質によって構造プレートが引き離される地域であり、このプロセスは地下の温度によって駆動されている。
「これらの海嶺における温度を部分的な根拠として、地球内部全体の温度モデルを事実上作成することができる」とKreinは述べている。「問題は、海嶺全体に沿ったマントルの温度変化について、このデータが実際に何を示しているのかということだ」。
マントルマップ
チームが分析したデータには、複数の研究航海によって数十年にわたり、海嶺系の全長に沿って採取された13,500点を超える試料が含まれている。データセットの各試料は、海中で噴出し、周囲の海水によって瞬時に冷却されて原始的で保存された状態となった、海底ガラスである。
科学者たちは以前から、データセット内の各ガラスの化学組成を特定していた。Kreinらは、各試料の化学組成をアルゴリズムに入力し、それぞれのガラスがマントル内で最初に溶融した温度を決定した。
こうしてチームは、海嶺系の全長にわたるマントル温度の分布図を作成することができた。この分布図から、マントルの大部分は比較的均質であり、平均温度がおよそ摂氏1,350度であることが確認された。しかし、海嶺沿いには「ホットスポット」、すなわちマントル内の温度が著しく高く、およそ摂氏1,600度に達する地域も存在する。
「人々はホットスポットを、マントル内でより高温であり、物質がより多く溶融し、場合によってはより速く上昇している地域だと考えている。しかし、なぜそうなるのか、どれほど高温なのか、そしてホットスポットにおいて組成がどのような役割を果たしているのかは、正確にはわかっていない」とKreinは述べている。「これらのホットスポットの一部は海嶺上にあり、今や、この新しい手法を用いれば、ホットスポットの温度変化が地球規模でどのようなものなのかを把握できるかもしれない。これは現在の地球の温度について根本的なことを物語っており、そして地球の温度が時間とともにどのように変化してきたのかを考えることができるようになる」。
Kreinはさらにこう付け加えている。「これらのダイナミクスを理解することは、大陸がどのように成長・進化してきたのか、また沈み込みとプレートテクトニクスがいつ始まったのかをより正確に把握する助けとなるだろう。これらは複雑な生命にとって極めて重要である」。
本研究は、一部、米国国立科学財団の支援を受けて行われた。
