大型放射光施設 SPring-8

公開日

2025年05月08日

2025年5月8日
岡山大学
高輝度光科学研究センター

・地球のマントルには410kmの深さにある不連続面上に2重の低速度層がしばしば観察されますがその成因は謎でした。
・高圧下でマントルを構成するケイ酸塩物質に水を加えたものを溶かして重い球を落下させることで溶融物の粘性を決定したところ、異常に粘性が低いことが分かりました。
・モデル計算から、上昇するマントル対流の部分で水を含む溶融物が存在する場合に2重の低速度層を再現できることが分かりました。

芳野教授

岡山大学惑星物質研究所で博士の学位を取得した学生との共同研究からこの成果を得ることができました。SPring-8の高輝度放射光と惑星物質研究所の高圧発生技術によって、地球深部の高温高圧状態の物質をその場で観察することができます。研究者を目指す若者が減っていますが、ワクワクドキドキするような体験を我々と一緒にしてみませんか？

＜現状＞
地震探査により、マントル内でカンラン石から高圧相のワズレアイトへの遷移が起きる410km地震波不連続面^（1）の直上に低速度層が検出されています。これらの低速度層は、多くの場合、含水ケイ酸塩メルトに起因すると考えられており、厚さは30～100kmとさまざまで、時には二重層として現れることがあります。これまでのモデルでは、高密度の溶融物が不連続面上に蓄積されることが示唆されていましたが、観測された二重の低速度層を説明することはできませんでした（図1b）。

＜研究成果の内容＞
研究チームは、大型放射光施設SPring-8^（2）（BL04B1）において高圧実験を実施し、410 km不連続面近傍の温度圧力環境を再現し、含水ケイ酸塩溶融体の粘性^（3）を測定しました。その結果、含水率の増加に伴い粘性が劇的に低下することが分かりました（図1a）。これらの含水メルトの非常に低い粘性は、マントル中を高速に移動することを可能にします。1次元シミュレーションによって、上昇するマントルにおける含水ワズレアイトの継続的な脱水溶融によって二層のメルト層が形成されることを明らかにしました（図1b）。興味深いことに、これらの層は、局所的な条件、特に密度差やプルーム^（4）の上昇する速度に応じて、単一の厚い層に融合することも、明確な二重層のまま残ることもあります。この挙動は、アラビア半島南部のアファー地域のマントルプルームシステムで観測される、単一の溶融層から分離された二重層への遷移を完璧に説明することができます。

＜社会的な意義＞
地球深部のマントルにおける溶融体の移動過程の解明は、火山システム、地表と内部間の深層水循環、そして惑星進化に関する理解に革命をもたらす可能性のある重要な知見を提供します。この研究成果は、地質災害の予測から新たな鉱物資源の発見に至るまで、幅広い応用が期待される、地球深部プロセスの次世代モデル開発の基盤となります。この画期的な成果は、地球のダイナミックな内部構造に関する将来の研究に刺激的な道を開くものです。

本研究は、独立行政法人日本学術振興会（JSPS）「科学研究費助成事業」（基盤S・21H04996研究代表：芳野極）、RCUK grants (NE/X009807, NE/T006617研究代表：David Dobson)の支援を受けて実施しました。また、本研究はSPring-8の課題番号2023A1109, 2024A1175で実施しました。ダイヤモンドシーリング技術は、フランスのソレイユにあるプシシェで、課題番号20230084、20220234、20211568、および20201203の支援を受けて開発されました。回収されたサンプルのトモグラフィーは、ClerVolcの2024年度ビジタープログラム（課題番号686）の支援を受けて実施されました。ダイヤモンドカプセルの製造は、英国王立協会の大学研究フェローシップ（UF150057）の形で部分的に支援されました。ビームタイムの実験準備は、岡山大学惑星物質研究所（IPM）の2023年度共同利用・共同研究拠点の支援を受けて行われました。

【補足・用語説明】