地球の奥深くに沈み込んだ海底の岩石を発見 「プレートが核付近まで到達」したことが明らかに【明治大学・東京大学・岡山大学など】
明治大学、東京大学、岡山大学、高輝度光科学研究センター（JASRI）、物質・材料研究機構（NIMS）などで構成される研究グループは、地球深部を再現する実験、原子レベルの理論計算、地震波観測を組み合わせることで、海洋プレートとともに地球内部へ沈み込んだ岩石が、深さ約2900kmの「核―マントル境界」※付近まで到達している可能性を示す新たな証拠を得ました。
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成果は英国Nature系列誌「Scientific Reports」に掲載されました。
※核―マントル境界： 地球のマントルと外核の境界。深さ約2900kmに位置し、地球内部の熱・物質進化を考えるうえで重要な場所。
研究の背景――沈み込んだプレートはどこまで届くのか
地球の表面では、海洋プレートが海溝から地球内部へ沈み込んでいます。沈み込んだプレート由来の岩石は、数億年という長い時間をかけてマントルの奥深くへ運ばれると考えられてきました。
しかし、それが本当に地球中心に近い核―マントル境界まで到達しているのかを直接示すことは、これまで容易ではありませんでした。
今回の研究の鍵となったのは、沈み込んだ海洋地殻に多く含まれる二酸化ケイ素（SiO2）※です。SiO2は、地球深部の非常に高い圧力と温度のもとで結晶構造を変え、最深部マントルでは「seifertite（ザイフェルタイト）」※と呼ばれる高密度の構造になります。
この変化は、地震波の伝わり方に特徴的な影響を与えるため、地球深部に沈み込んだ岩石を探す"目印"になります。
※SiO₂（二酸化ケイ素）： 石英などの主成分として知られる物質。海洋地殻には SiO2が多く含まれている。地球深部では高圧力により異なる結晶構造をとる。
※Seifertite（ザイフェルタイト）： SiO₂が非常に高い圧力下でとる高密度の結晶構造。地球の下部マントル最深部に相当する条件で安定になる。
研究のポイント
1. 実験――地球深部の環境を実験室で再現
研究グループは、レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルを用いて、最大178GPa、6000Kに達する超高圧・高温条件を作り出しました。
これは、地球の核―マントル境界付近に相当する極限環境です。
さらに、大型放射光施設SPring-8※のBL10XUで新しく開発されたシステムを用い、レーザー加熱の開始と同時に高速量子ビーム測定（放射光X線回折測定）を行い、SiO2がどの結晶構造として現れるのかを、加熱直後の非常に短い時間で捉えました。
従来の実験では、長時間の加熱や冷却の途中で、本来安定ではない「準安定相」が成長してしまい、SiO2の相転移境界を正確に決めることが難しいという課題がありました。
この研究では、測定時間を最短10ミリ秒まで短くし、レーザー加熱、X線回折測定、温度測定を精密に同期させることで、この問題を大きく抑えました。放射光X線のもつ、輝度が非常に高く、平行性が良いという特性を活かした成果です。
※レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル：2つのダイヤモンドで試料を挟んで超高圧を発生させ、レーザーで加熱する装置。地球 深部の高圧・高温環境を実験室で再現できる。
※大型放射光施設 SPring-8：理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。SPring-8（スプリングエイト）の名前は Super Photon ring-8 GeV に由来。SPring-8 では、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が 行われている。
※X線回折： 結晶に X線を当て、その回折パターンから結晶構造を調べる手法。この研究では、レーザー加熱と同期した高速測定により、加熱直後の相変化を捉えた。
2. 理論計算――原子レベルで相転移の理由を検証
実験だけでは、観測された相がなぜ安定なのか、また過去の研究でなぜ異なる結果が出たのかを十分に説明することはできません。
そこで研究グループは、量子力学に基づく第一原理計算と分子動力学計算を用いて、低圧力で安定な相（CaCl2型SiO2）とseifertiteのエネルギー差を調べました。
その結果、核―マントル境界に近い条件では、両者の自由エネルギー差が非常に小さいことがわかりました。これは、微小な領域では熱揺らぎによって準安定相が一時的に生じやすいことを意味します。
つまり、過去の実験で相境界が不明瞭になった理由を、理論計算によって説明できたことになります。
3. 地震観測――実験で得た"目印"を地球深部で探す
実験と理論計算で決めたseifertite相転移の条件を、実際の地球内部に当てはめると、沈み込んだ岩石を探すことができます。
研究グループは、独自に開発した波形インバージョン法を用いて、中央アメリカ下の最下部マントルを伝播するP波とS波の速度構造を調べました。
その結果、核―マントル境界の100～300km上方で、S波が遅く、P波が速いという特徴的な異常が見つかりました。
このようなP波とS波の反対向きの変化は、SiO2がseifertiteへ変化することで説明できるため、沈み込んだ岩石の証拠となります。
また、沈み込んだ低温の岩石は核―マントル境界の上方で、この相境界を二度横切ることがわかりました。これは「ダブルクロッシング」と呼ばれる現象で、この現象を応用することで地球深部において岩石の温度を決定できる可能性があります。
実験・理論・観測、三つの手法をつなぐことで見えた地球深部の姿
この研究の大きな特徴は、実験・理論計算・地震観測のいずれか一つだけでは到達できない結論を、三つの手法を組み合わせることで導いた点です。
高圧高温実験は、地球深部でSiO2がどの条件で構造を変えるのかを直接調べる手段です。
一方で、実験には温度の揺らぎや準安定相の問題があり、観測結果の解釈には注意が必要です。
理論計算は、その実験結果が熱力学的に妥当かどうかを検証し、準安定相がなぜ生じるのかを原子レベルで説明します。
そして地震観測は、実験と計算で得られた鉱物学的な"目印"が、実際の地球内部に存在するかどうかを確かめる役割を果たします。
今回、実験で決定されたseifertite相境界は、理論計算とも整合的でした。さらに、その相境界を地球内部の温度構造に重ねると、中央アメリカ下で観測された地震波速度異常の深さとよく対応しました。
これにより、実験室の数十マイクロメートル規模の試料で見つかった鉱物の変化が、地球規模の深部構造を理解する手がかりになることが示されました。
地球深部に届いたプレートの痕跡
中央アメリカ周辺では、長い地質時代にわたって海洋プレートの沈み込みが続いてきたと考えられています。
この研究で見つかった地震波速度異常は、こうした沈み込んだ海洋プレート由来の岩石が、核―マントル境界付近まで運ばれている可能性を示しています。
一方、ハワイ下でもS波速度の低下が見られたが、P波速度構造が得られていないため、中央アメリカほど強い証拠とはいえません。
ただし、ハワイ下の沈み込んだ岩石は中央アメリカ下よりも高温である可能性があり、地域ごとの温度差によってseifertite相転移の深さや地震波速度異常の現れ方が変わることも示唆されました。
成果の意義
核―マントル境界は、地球内部の熱と物質のやり取りが集中する重要な領域です。ここに沈み込んだ海洋プレート由来の物質が存在すれば、マントル対流、地球内部の熱輸送、長期的な地球進化に影響を与える可能性があります。
この研究は、SiO2の相転移という鉱物物理学的な現象を、地震波形観測と結びつけることで、地球深部の物質循環を読み解く新しい方法を示しました。
特に、実験・理論計算・地震観測を組み合わせた今回のアプローチは、今後、地球内部に残された沈み込みプレートの痕跡や、マントル底部の化学的不均質性を解明するための重要な手法になると期待されます。
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