沈み込むプレートの行方に関する論文がNatureに掲載ツイート研究2019.01.10今回の研究成果のポイントマントル物質及び沈み込む海洋地殻物質の重要な構成物である、CaSiO3ペロブスカイト(CaPv)の弾性波(地震波)速度測定に世界で初めて成功した。CaPvの弾性波速度は従来の予想に比べてはるかに低いことがわかった。このことからCaPvを多く含む玄武岩からなる海洋地殻物質の地震波速度は、従来の予想より大幅に低くなると考えられる。km直下に発見された地震波速度の低速度領域は、海洋地殻物質の存在によると解釈される。km付近に留まり、この付近に化学的な層構造をもたらす可能性がある。km不連続面直下に多量に存在することを明らかにしました。本研究は国際科学雑誌「Nature」の1月10日版において発表されました。kmまでの核の3つの領域からできています。km付近に存在する地震学的不連続面[用語1]により、上部マントル[用語2]と下部マントル[用語3]からできていることが、地震波の伝わり方からわかっています。上部マントルを構成する物質は、火山の噴火などによりもたらされるマントル由来の岩石(マントル捕獲岩)を調べることにより、「パイロライト」という主にかんらん石・輝石・ざくろ石の3種類の鉱物を含む岩石であることがわかっています。上部マントルの下部や下部マントルの物質[用語4]は地表で手に入れることが困難であり、どのような岩石からできているかよくわかっていません。このようなマントル深部の物質を探るほぼ唯一の手がかりは、巨大地震の地震学的観測によりもたらされるマントル深部における密度と地震波速度の変化です。1~2%程度)で決まっており、マントル物質を特定する重要な手がかりとなります。パイロライトを構成するかんらん石・輝石・ざくろ石などの鉱物は、マントル中の高い圧力と温度のもとで、様々な結晶構造を持つ高圧型鉱物[用語5]へと変化します(構造相転移)。これらの鉱物やその高圧型鉱物の地震波速度(=弾性波速度[用語6])を実験室で測定し、得られた実験データをマントル中の地震波速度と比較することにより、マントル深部に存在する物質を推定することが可能です。沈み込む海洋プレートの物質構成マントル中にはパイロライトの他にも、沈み込むプレートを構成する玄武岩質の海洋地殻とハルツバージャイト岩も存在すると考えられます。これらの物質も主にこれら3種類の鉱物からできています。その割合は、それぞれパイロライト中の割合と大きく異なります。従ってこれら3つの鉱物と、それぞれの高圧型鉱物の弾性波速度を全部測定すれば、これらの比に基づいてパイロライト、玄武岩、ハルツバージャイト岩の3つのマントル深部を構成する候補物質の弾性波速度を見積もることができます。これまでの研究により、上記3種類の鉱物及びその高圧型鉱物のほとんどに対して、弾性波速度測定が行われました。この研究では、より深いマントルではパイロライトの弾性波速度が、地震波速度の観測値と食い違うことを示していました。kmより深い領域での主要高圧型鉱物である、CaSiO3成分に富むペロブスカイト(カルシウムペロブスカイト=CaPv)の測定は困難で、マントル候補物質の弾性波速度を精度良く見積もるには至っていませんでした。適当な試料を得ることが不可能だったからです。CaPvは沈み込んだプレートを構成する玄武岩の主要高圧型鉱物でもあり、その弾性波速度の測定は、マントル深部の物質を明らかにする上で重要です。この手法では、測定する鉱物の多結晶体を高温高圧下で合成した後常圧下に取りだし、それを円柱形に成形したものに対し、別の実験で高温高圧下での弾性波速度を測定します。弾性波(=地震波)の伝わる速度(V)は試料の長さ(L)と、超音波が試料を通過する時間(t)を用いてV=L/tで決定することができるので、高温高圧下での試料のX線像(レントゲン像)から試料の長さを測定し、同時に超音波をあてて試料を通過する速度を測定することにより、様々な温度と圧力のもとでのVを測定することが可能です。高温高圧下での弾性波速度測定CaSiO3組成のガラス出発物質しかし、CaPvは常圧下に取り出すことができないので、本研究では新しい手法を用いました。それはまずCaSiO3成分のガラスをつくり円柱状に加工し、これを高温高圧下でCaPvに変換した後、試料を取り出すことなくそのまま弾性波速度を測定するというものです。km不連続面に相当する条件まで行いました。測定は5回の独立な実験により様々な温度圧力下で行い、それぞれの実験が互いに整合的なことを確かめました。これらの結果、CaPvの弾性波速度、特にS波速度がこれまで理論的に予測されていた値に比べてはるかに小さいことが明らかになりました。km不連続面付近まで沈み込むと、周囲のマントル物質に比べて地震波速度が大きく低下することがわかりました。この地震波速度の低下は、この深さ付近で存在が予想されている少量(数千ppm程度)の水の影響によりマントル岩石の融点が下がり、一部が融けてマグマが発生しているためと考えられていました。本研究の結果から、このような低速度領域はマグマの発生ではなく、CaPvを多く含み地震波速度の低い玄武岩質の海洋地殻物質が、この領域に多く存在するためであるとする結論が導かれました。2016)など、下部マントル領域では独立した物質としての「水」の存在は考えにくいとする研究成果とも調和的です。km不連続面付近に存在することが示唆されます。km直下には玄武岩質の物質が多く存在することが予想されます。2018)が発見され、この領域に玄武岩的な物質が存在することが指摘されており、本研究の結果とも整合的です。kmより深い23万気圧を越える下部マントル深部領域で、同様の手法による弾性波速度測定を行い、観測に基づく地震波速度と対比させることにより、地球科学の大きな謎である下部マントルの化学組成の解明に重要な情報を与えることができると思われます。2018)、下部マントルを構成する有力候補物質であるパイロライトや、それを構成する高圧型鉱物の弾性波速度の測定に取り組んでいます。このような手法により下部マントルの化学組成が解明されれば、地球の原材料やその進化の解明が大きく進展すると期待されます。kmに存在する、地震波速度や密度が急激に変化する面。マントル物質中の主要な鉱物であるかんらん石の相転移が原因であると考えられている。この不連続面により、マントルは上部マントルと下部マントルにわけられる。°C程度と見積もられている。kmに至るマントルの領域。パイロライトと称される、かんらん石・輝石・ざくろ石の3つの鉱物とその高圧型鉱物からできていると考えられる。kmの領域をマントル遷移層と呼ぶこともある。地球全体の体積の約6割を占めるが、その化学組成については上部マントル同様にパイロライトであるとの考えと、よりシリカ(SiO2)成分に富んだ組成であるとする説がある。上部マントルを構成する物質は、主にパイロライトであると考えられている。Ringwood教授により考案された仮想的岩石である。上部マントル最下部~下部マントル領域におけるマントル物質に関しては、すべてパイロライトとする考えもあるが、玄武岩、ハルツバージャイト岩、またよりシリカに富んだペロブスカイタイトなど、様々な説があり未解決である。鉱物はそれを構成する原子が規則正しい配列をした結晶構造をもっているが、これに圧力を加えるとある時点で全く異なる結晶構造に変化する。この現象を高圧相転移といい、その結果生じる新しい構造の鉱物を高圧型鉱物と称する。ダイヤモンドは石墨(グラファイト)の高圧型鉱物である。固体(弾性体)物質の中を伝わる波の速度。P波(Vp)とS波(Vs)に対応する2種類がある。地震波もこの一種である。P波速度、S波速度は周波数に依存しないので、小さな試料に対する超音波を使った測定により、物質の弾性波速度即ち地震波速度を測定することができる。鉱物などの結晶に対して、原子が規則正しく配列していない固体が存在し、そのような物質を非結晶(アモルファス)物質と称する。ガラスはその例である。高圧型鉱物は常圧に取り出しても準安定に存在できることが多いが(ダイヤモンドもその例)、一部の高圧型鉱物は常圧下ではアモルファス化するものもある。CaPvはその例である。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施設で、利用者支援はJASRIが行っている。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この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。km程度と考えられている。准教授)の支援を受けて行いました。助教)はCaSiO3ガラスの作製を行いました。論文の取り纏めは入舩とグレオが担当しました。)、GRC助教(丹下)としてGRCに在籍した経歴を有しており、「オールGRCチーム」の成果ともいえます。入舩とグレオは東京工業大学の地球生命研究所において、それぞれ主任研究者と研究員を兼務しています。第三者のコメントをご参考にされたい場合に下記の方々を推薦します。JP25220712)の一環として実施したものです。教職員向け(学内限定)。