大型放射光施設 SPring-8

公開日

2019年10月04日

2019年10月4日
バイロイト大学
高輝度光科学研究センター
ブリストル大学
ドイツ電子シンクロトロン
北京高圧科学研究センター
東北大学
広島大学
岡山大学

【研究の背景】
　地球は深さ平均約30 kmの地殻、深さ2900 kmまでのマントル、中心の深さ6400 kmまでの核の3つの領域からできています。深さ660 km付近に存在する地震波速度の急激な増大により、マントルは更に上部マントルと下部マントルに区分されます（図１）。この境界は、660 km不連続と呼ばれ、厚みは2 km以内と非常に鋭いことが報告されています（図２）。地球のマントルには410 km不連続と呼ばれるもう一つの不連続が存在しますが、その厚みは7 km程度と、あまり鋭くありません。沈み込んだプレートやマントル深部からの上昇流の動きが660 km不連続上下で大きく変化することが地震学により観測されているので、660 km不連続が地球内部の物質循環に対して重要な役割を担っていることは明らかです。
　最上部マントルを構成する物質は、主にカンラン石・輝石・ザクロ石の3種類の鉱物からなるパイロライトであると考えられています。この三種の鉱物のうち、カンラン石は上部マントルの半分以上の体積を占める最重要鉱物です。高圧実験の結果から、カンラン石は上部マントル底部で高圧鉱物リングウッダイトに相転移し、更に深さ660 kmに相当する23万気圧付近でブリッジマナイトとフェロペリクレースに分解します。この相転移は、ポストスピネル転移と呼ばれています。このポストスピネル転移が660 km不連続の原因になっているのではないかと考えられています。リングウッダイトは、90%のMg₂SiO₄成分と10%のFe₂SiO₄成分からなる固溶体^※5を形成していると考えられています。固溶体の相転移は、一定の圧力ではなく、ある程度の圧力幅をもって起こります（図３）。ポストスピネル転移が660 km不連続を引き起こしているなら、その圧力幅は660 km不連続の厚み2 kmに相当する0.1万気圧かそれ以下ということになります。しかし、この予想される圧力幅は他のマントル鉱物の相転移幅に比べて著しく小さいものです。例えば、410 km不連続を引き起こすカンラン石―ワズレアイト転移の圧力幅は0.7万気圧です。これまでの高圧実験では、圧力決定精度が0.2～0.5万気圧だったので、ポストスピネル転移の圧力幅が本当に0.1万気圧以下なのかどうかを検証することが出来ませんでした。もしポストスピネル転移幅が0.1万気圧以上ならば、上部マントルと下部マントルは異なる物質から形成されていて、上部マントルと下部マントルは別々に対流していることになります。多くの地球物理学者は、上部マントルと下部マントルは一体となって対流していると考えており、もし上部マントルと下部マントルが別々に対流しているとなれば、我々の地球内部に関する理解は完全に覆ることになります。この様な理由により、ポストスピネル転移の圧力幅の精密決定は、地球深部ダイナミクスの解明のために本質的に重要な課題です。

【研究内容と成果】
　ドイツ連邦共和国バイロイト大学バイエルン地球科学研究所・高輝度光科学研究センターとその他の機関からなる国際共同研究グループは、大型放射光施設SPring-8の高温高圧ビームラインBL04B1の高輝度白色Ｘ線と世界最高精度の高温高圧実験技術による相転移実験と熱化学計算を組み合わせることにより、マントル660 km不連続付近の高温高圧下でMg₂SiO₄-Fe₂SiO₄二成分系の相平衡関係^※6を精密に決定しました。上記の様に、先行研究では圧力精度が不十分であったので、相平衡関係を正確に決定することが出来ませんでした。その理由の一つは、超高圧超高温条件であるために、試料にX線を照射することが難しく、圧力測定に十分な試料体積を確保できなかったことです。もう一つの理由は、X線データ取得中に試料圧力が降下してしまい、一定圧力下での相平衡実験が出来なかったことがあります。本研究では、独自に開発した圧力発生技術（Katsura et al. Physics of the Earth and Planetary Interiors; 2004; Ishii et al. Review of Scientific Instruments, 2016; Ishii et al. High Pressure research, 2017; Ishii et al. Scientific Reports, 2018）を駆使して、従来よりも試料にX線を通す広い空間を確保し、試料圧力を随時細かく制御することによって、上記の問題を克服して0.05万気圧以上の圧力精度で相平衡関係を決定することを可能にしました。また、マントル組成であるFe₂SiO₄を10%含む組成での相転移幅の直接決定はせず、Fe₂SiO₄を30%含む組成と全く含まない組成の相転移圧力を同時決定しました。その結果と熱化学計算を組み合わせることにより、Fe₂SiO₄を10%含む組成での相転移圧力幅を直接的な高圧実験より遥かに高い精度で決定しました。その結果、マントルではポストスピネル転移の圧力幅はたったの100気圧、深さ換算で250 m以下であることが明らかになりました（図４）。これは、2 kmという地震学的研究が示した660 km不連続の厚みの上限よりもさらに一桁小さく、観測を説明して余りあります。本研究は、ポストスピネル転移が660 km不連続を引き起こしているという説を明確に支持しており、マントル全域がパイロライト的な岩石で構成されていて、マントル対流は全マントルを攪拌していることを示しています。
　さらに本研究では、マントル対流が660 km不連続を横切ると、660 km不連続の厚みが増大することも示しました。従って、660 km不連続の厚み分布を調べることにより、上部マントルと下部マントルの間の物質循環を描き出すことが出来ます。これまで、マントル対流の存在を検出することはできなかったので、この手法は画期的なものです。これからの地震学的観測によるフィードバックが期待されるところです。

【今後の展開】
　本研究で開発された高い精度で圧力を制御する技術により、660 km不連続がポストスピネル転移によって形成されているという説が妥当であることを明らかにしました。地球内部には、660 km不連続以外にも、410 km不連続、520 km不連続という不連続が存在します。本研究の技術をさらに応用することよって、これらの不連続の成因を明確にすることができ、地球内部の構造とダイナミクスをより鮮明に描き出すことが出来るでしょう。

【用語解説】