地球最大の水源は、アメリカの地下400マイルに隠されているかもしれない
ByKelsey Campbell-Dollaghan
6/12/2014 3:50PM
地球のマントルを想像するとき、私たちは高温の岩石やマグマ、そしてサタン（悪魔）を思い浮かべます。しかし、科学者たちは、その岩石が、私たちの海を合わせた体積の3倍もの大量の水を隠している可能性を発見したのである。
サイエンス誌『Science』誌に本日オンラインで公開されたこの研究の背後にいる科学者たちは、地球科学を長い間悩ませてきた質問に対する答えを見つけたと考えています。地球には合計でどれだけの水があるのでしょうか。 「私たちはようやく全地球の水循環の証拠を見ていると思います。それは私たちの居住可能な惑星の表面にある大量の液体の水を説明するのに役立つかもしれません」と研究の共著者でノースウェスタン大学の地球物理学者であるスティーブ・ジェイコブセン氏は、PhysOrgに言いました。 「科学者たちは何十年もの間、この失われた深海を探してきました。」
「私たちは、ついに地球全体の水循環の証拠を見たのだと思います」
PhysOrg
2014年6月12日（木
地球深部の水の海を示す新たな証拠
ノースウェスタン大学による
ダイヤモンドアンビルセル（約5mm角）の写真。
この宝石ダイヤモンドの先端の間に、深さ660km、つまり地表から約400マイルの条件下で、深部マントル鉱物の加熱実験が行われた。その結果、リングウッダイトという鉱物が脱水反応を起こし、マントル深部で岩石が溶けることがわかった。そして、その反応を示す証拠が北米の地下660kmを通過する地震波で観測され、プレートテクトニクスによって大量の水（水和鉱物の形）がこの大深度まで到達することを示唆したのである。出典：Steve Jacobsen / ノースウェスタン大学
ノースウェスタン大学とニューメキシコ大学の研究者らは、アメリカ合衆国の地下深くに海洋に相当する水が存在する証拠を報告した。水の成分は地球のマントル深部の岩石と結合しているため、見慣れた液体の状態ではありませんが、この発見は地球最大の水の貯蔵庫である可能性があります。
青い惑星」と呼ばれる地球では、地表に液体の水が存在することが居住の条件となっており、科学者たちは長い間、プレートテクトニクスによって地表と内部の貯水池の間でどれだけの水が循環しているかを解明しようと努めてきた。
ノースウェスタン大学の地球物理学者スティーブ・ジェイコブセンとニューメキシコ大学の地震学者ブランドン・シュマンディーは、北米大陸の地下約400マイルにマグマの深いポケットを発見しました。この発見は、地表の水がプレートテクトニクスによってこのような深さまで移動し、最終的にマントル深部にある岩石の部分溶融を引き起こす可能性を示唆しています。
この発見は、地球がどのように形成されたか、現在の地球の組成と内部構造はどうなっているか、マントル岩石中にどれだけの水が閉じ込められているかを理解する上で、科学者の助けになるものである。
この論文の共著者であるジェイコブセンは、「地震や火山の噴火など、地球表面の地質現象は、私たちの目に見えない地球の内部で起こっていることの表れです」と述べています。「地球全体の水循環を示す証拠がようやく出てきたのだと思います。科学者たちは、何十年もの間、この行方不明の深層水を探し続けてきました。
科学者たちは、長い間、水は、深さ250マイルから410マイルの間の下部マントルと上部マントルの間に位置する地球のマントルの岩石の層に閉じ込められていると推測してきました。今回、ジェイコブセンとシュマンツは、マントルの「遷移層」と呼ばれる領域に水が存在する可能性を、地域的なスケールで直接証明した最初の研究者である。この領域は、米国内陸部の大部分に広がっている。
ニューメキシコ大学地球物理学部のシュマント助教授は、地震による地震波を使って地殻とマントルの深部構造を調査している。ノースウェスタン大学ウェインバーグ・カレッジの地球惑星科学准教授であるジェイコブセンは、実験室での観測をもとに、私たちが直接観測できないはるかに遠いところで起きている地球物理学的プロセスについて予測を行っています。
今回の研究では、地下400マイルの高圧下でマントル岩石を研究するジェイコブセンの実験室での実験と、全米に2,000以上ある地震計の密集したネットワークであるUSArrayの膨大な地震データを用いたシュマントの観測が組み合わされました。
そして、ジェイコブセンとシュマントの観測結果は、地球の約400マイルの深さで融解が起こっている可能性を示す証拠になった。研究者らは、リングウッダイトという鉱物を含むマントル岩石の中に蓄えられているH2Oが、このプロセスの鍵を握っている可能性が高いと述べている。
実験室で合成されたリングウッダイトと呼ばれる青色をした鉱物のかけら。
この鉱物は、マントルの深さ約500〜700kmのところに存在すると考えられている。実験室で合成されたものは、結晶構造の中にかなりの量の水を含むことができる（つまり液体状ではない）が、リングウッダイトのような水和鉱物の形で深さ700kmまで水が持続するかどうかは不明だった。実験と700kmを通過する地震波の解析から得られた新しい証拠により、地球物理学者が遷移層と呼ぶ深さ410kmから660kmまでの地球のマントル層には、水和リングウッダイトの形でかなりの量のH2Oが存在する可能性があることが明らかになった。出典：Steve Jacobsen / ノースウェスタン大学
「この深さでの岩石の融解は、マントルでのほとんどの融解がもっと浅い、上部50マイルで起こるので、驚くべきことです」と、論文の共著者であるSchmandt氏は言う。"もし、移行帯に相当量のH2Oがあるならば、下部マントルへの流入がある領域で何らかの融解が起こるはずで、それは、我々が発見したものと一致します。"
もし、遷移帯に位置するマントル岩石の重量のたった1％がH2Oだとしたら、それは、我々の海にある水の量のほぼ3倍に相当すると、研究者たちは言いました。
この水は、液体でもなく、氷でもなく、水蒸気でもない、私たちになじみのある形をしていない。マントル岩石中の鉱物の分子構造の中に閉じ込められた水である。250マイルの固い岩石の重さは、華氏2,000度以上の温度とともに高圧を生み出し、水分子が分裂して水酸基（OH）を形成し、鉱物の結晶構造に結合させることができるのだ。
この発見は、3月に『ネイチャー』誌で発表された、ブラジルの火山が400マイルの深さから掘り起こしたダイヤモンドの中からリングウッダイトという鉱物のかけらを発見したことに端を発している。この小さなリングウッダイトは、現存する地球内の唯一のサンプルで、鉱物の中に驚くほど多くの水が固体の形で結合していたのだ。
「しかし、このユニークな試料が地球内部の組成を代表しているかどうかはわかりません」とジェイコブセンは言う。"今、我々は、リングウッダイトの脱水と同じ深さで、北アメリカの地下で大規模な融解が起きている証拠を見つけました。" これは、まさに私の実験で起きていたことです。
ジェイコブセンは、何年もの間、ノースウェスタンの研究室で、緑色鉱物のカンラン石を高圧下で水と反応させて、サファイアのような青色に着色したリングウッダイトを合成してきました。(その結果、リングウッダイトの結晶構造の重さの1％以上が水でできていることを発見した（Nature誌に掲載された試料とほぼ同じ量）。
「リングウッダイトは、まるでスポンジのように水を吸い上げるのです。「リングウッダイトの結晶構造には、水素を引き寄せ、水を閉じ込めることができる非常に特別な何かがあるのです。この鉱物は、深部マントルの条件下で、多くの水を含むことができます。"
サイエンス誌に報告された研究のために、ジェイコブセンは、彼の合成したリングウッダイトを、地表から約400マイル下の条件に晒し、この条件に追い込まれると、少量の部分溶融を形成することを発見しました。アルゴンヌ国立研究所のアドバンスト・フォトン・ソースとブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源で行われた実験では、このメルトが検出された。
EarthScopeマップは、北米全体の地震計の位置を示しています。 EarthScope科学
ジェイコブセンは、小さな宝石用ダイヤモンドを硬いアンビルとして使い、鉱物を地球深部の条件まで圧縮する。「ダイヤモンドの窓は透明なので、高圧装置を覗いて、深部マントルの条件で起こる反応を観察することができます」と彼は言います。"私たちは、X線、電子、赤外線の強力なビームを使用して、ダイヤモンドセルで起こっている化学反応を研究しました。"
ジェイコブセンの発見は、シュマントが地震波を使って北米の地下で検出した部分溶融、つまりマグマの証拠と同じものを生み出したのです。深部マントルは直接観測できないため、科学者は地震波（異なる速度の音波）を使って地球内部を画像化する。
「USArrayの地震データは、北米の地下にある地球の内部構造をかつてないほど鮮明に描き出しています」とシュマント氏。「私たちが見た融解は、沈み込み（表面からマントル物質が下降すること）によって引き起こされているようです。
研究者達が検出した溶融は、脱水溶融と呼ばれています。遷移層の岩石は多くの水を保持できますが、下部マントルの最上部にある岩石はほとんど水を保持することができません。遷移帯のリングウッダイトに含まれていた水は、より深く（下部マントルに）入ると押し出され、水を吸収できないケイ酸塩ペロブスカイトという高圧の鉱物を形成する。そのため、遷移帯と下部マントルの境界の岩石が部分的に溶けてしまうのです。
「H2Oをたくさん含んだ岩石が遷移層から下部マントルに移動するとき、何らかの方法でH2Oを取り除く必要があり、少し溶けるのです」とシュマント教授は言う。"これは脱水融解と呼ばれます。"
"一旦水が放出されると、その多くは、遷移帯に閉じ込められるかもしれません。"とジェイコブセンは付け加えました。
溶融は地震波の速度を遅くするので、マントルのこの領域に向けられた新しい地震計の配列で、ほんの少し、約1パーセントの溶融を検出することができると、Schmandtは言った。
2014年1月27日（木
私たちの足元には海がある？
by リバプール大学
チリにあるアーク火山
(Phys.org) -リバプール大学の科学者たちは、深海の断層帯が、これまで考えられていたよりもはるかに大量の水を地球の海から上部マントルへ輸送する可能性があることを示しました。
リバプールの地震学者は、地球の年齢を考えると、日本の沈み込み帯だけで、地球の全海洋の最大3.5倍に相当する水をマントルへ運ぶことができると推定している。
水は、海洋プレートが沈み込む際に、海洋プレートを貫く深海断層帯によってマントルへと運ばれる。沈み込みとは、海洋プレートが他のプレートの下に押し込まれることで、今回の東日本大震災のような巨大地震や、地下数百キロメートルで発生する多くの地震を引き起こす。
研究者らは、地震モデリング技術を用いて、地表から100km以上下のワダチ・ベニオフゾーン（海洋プレートがマントル深部に沈む際に発生する地震の平面）で発生した地震を分析した。
これらの地震の地震波を分析した結果、これらの地震は地震波速度の低い幅1〜2kmの断層帯で発生したことがわかった。これは、断層を浸透した海水が海洋性岩石と反応して、水を含んだ鉱物である蛇紋岩を形成したためである。
分散P波到達の波形モデリングに推定される沈み込み帯構造の概要（Garth & Rietbrock, Geology, 2014)
これらの水和断層帯によってマントルに運ばれた水の一部は、構造プレートが加熱されることで放出されます。この水はマントル物質の融解を引き起こし、太平洋の「火の輪」を形成するような沈み込み帯の上部に火山を発生させる。また、一部の水はマントル深部に運ばれ、地球深部に貯留される。
リートブロック教授が率いる地震地震学研究グループの博士課程学生であるトム・ガース氏は、「沈み込むプレートが海洋水をマントルへ運ぶことは、以前から知られていました」と語る。「この海水がマントルの融解を引き起こし、アークによって海水の一部が大気中に放出されるのです。しかし、沈み込んだ水の一部はマントル深部に運ばれ、そこに蓄えられている可能性があります。
「私たちは、北日本沖の深い海溝に形成された断層帯が、深さ150kmまで続いていることを発見しました。この水和断層帯は大量の水を運ぶことができるため、沈み込み帯はこれまで考えられていたよりもはるかに多くの水を海洋からマントルまで運んでいることが示唆されました。これは、地球の深部に大量の水が蓄えられているという説を支持するものです。
マントルに運ばれる水の量を知ることは、マントルがどのように対流し、どのように溶けていくのかを知ることにつながる。これは、プレートテクトニクスがどのように始まり、大陸地殻がどのように形成されたかを理解する上で重要なことです。
この研究は、何年も前から浮上していたアイデアを証明する最初の直接の証拠となるものだ。地球のマントル（地殻の下にあり、外側の溶けた核の上にある層）の奥深くには、岩石の中に大量の水が隠されているというのである。具体的には、リングウッダイトと呼ばれる岩石の中に水が閉じ込められていて、ものすごい圧力がかかっているため、岩石がマグマに変わるときに重要な役割を果たすのです。詳しくは後述します。
ジェイコブセンと共著者のニューメキシコ大学地震学者ブランドン・シュマントは、この地殻の上に住む2人の科学者ですが、どうやって地球の400マイル内側で起こっていることを突き止めたのでしょうか。要するに、音を反響させるのです。全米に設置された2,000台の地震計のネットワークを使って、地殻のさまざまな深さを通過する地震波の速度を「聞く」ことができたのです。水と岩では波に対する反応が違うので、波が水のあるところと固い岩のあるところのどちらに当たっているかを知ることができたのです。
しかし、それだけにとどまりません。地下400マイルの圧力を実験室で再現し、岩石と水がどのように反応するかを試したのです。リングウッダイト（下図）は、高圧下ではスポンジのように水を吸い上げ、その構造の1パーセントが水であることがわかりました。実は、この水が岩石をマグマに変えるカギとなるのです。
では、これらの資源を採取することはできるのでしょうか？地球のマントルをいじったらどうなるかは想像に難くないでしょう。発見しただけでもすごいことなのだ。
PhysOrgが説明するように、これらは文字どおりの海というわけではありません。
- この第4の形態は、マントル岩石中の鉱物の分子構造の中に閉じ込められた水である。250マイルの固い岩石の重さは、華氏2,000度以上の温度とともに高圧を生み出し、水の分子が分裂して水酸基（OH）を形成し、鉱物の結晶構造に結合させることができるのである。
とはいえ、驚くべき発見であることに変わりはありません。3月に発表された、地殻の奥深くに閉じ込められた水の存在を確認した珍しいダイヤモンドに関する研究に続いてのことです。
この新しい論文の研究チームのおかげで、私たちの足元にも大量の水が存在していることがわかったのです。
[Science、New Scientist、PhysOrg]。
マントルにどれだけ水が入り込んでいるかを知ることは、プレートテクトニクスの仕組みや、マントルから地表にマグマ（溶岩）が上昇する様子をモデル化する上で重要であると、研究者は声明の中で述べている。例えば、水を少し加えると濃厚なケーキミックスをかき混ぜやすくなるのと同じように、水は岩石の粘り気を弱め、粘性を高め、より流れやすくすることができるのだ。[インフォグラフィック：地球は何でできている？］
地震が教えてくれること
ガース教授と共同研究者たちは、北日本の地下で発生した地震を分析し、沈み込み帯がどれだけの水を運んでいるかを算出しました。ここでは、太平洋プレートが日本の下に潜り込んでいる。研究チームによるコンピューター・モデリングによると、下降するスラブ（地質学の専門用語で太平洋プレートの沈み込む海洋地殻のこと）の地震は、水で変化した鉱物がたくさん存在するため、予想よりも遅くなるそうです。
沈み込み帯は、地殻の下の層であるマントルに、海一杯分の水を運んでいる可能性がある。(画像出典：リバプール大学）
沈み込むスラブ内の水の一部が地殻を抜けて上方に移動し、沈み込み帯の上部の岩石を変化させることは、科学者たちの間では以前から知られていた。これらの流体は溶融の引き金にもなり、アンデス、アリューシャン列島、インドネシアなど、沈み込み帯の上に現れる壮大な火山連鎖の源にもなっている。
しかし、日本の地震学的証拠は、太平洋プレート内の断層が、蛇紋岩と呼ばれる鉱物の中に水を閉じ込めていることを示唆している、とガース教授らは報告している。(太平洋プレートも、沈み込む沈み込み帯のプレートも、下向きに曲がるストレスから、その中に小さな断層がある)。
地震学的証拠によれば、「湿った」鉱物であるサーペンタインは、50パーセントから71パーセントも断層を埋め尽くしているという。(地震波が地中を伝わる速度の違いから、ある深さにどのような鉱物があるのかを知ることができる。） これは、海洋地殻が100万年ごとに1億7000〜3億1800万テラグラムの水をマントルに吸い上げていることになる（海洋の質量はこれの約10億倍である）。
「北日本沖の深い海溝に形成された断層帯は、深さ150kmまで続いていることがわかりました」とガース教授は言う。"これらの水和した断層帯は大量の水を運ぶことができ、沈み込み帯はこれまで考えられていたよりもはるかに多くの水を海からマントルまで運んでいることが示唆されました。"
Becky Oskinにメールを送るか、@beckyoskinをフォローしてください。OurAmazingPlanet @OAPlanet、Facebook、Google+をフォローする。元記事はLiveScienceのOurAmazingPlanetにあります。
希少なダイヤモンドから、地球マントル深部に水が存在することが判明
BySarah Zhang
3/12/14 6:30PM
このボロボロのダイヤモンドは「地獄の旅」を生き抜いてきたもので、かなりスペクタクルな物語を持っています。地球の奥深くから噴出したこのダイヤモンドは、地球のマントルの奥深くに大量の水が閉じ込められているという科学的理論の最初の直接的証拠となった。
このように、ダイヤモンドは、無価値と思われていた鉱山労働者によって発見され、私たちの惑星を理解するための鍵となる可能性があります。
ブラジル産のダイヤモンドは、モデルが正しいことを裏付けている。この深さ、マントル遷移層と呼ばれる層では、カンラン石はリングウッダイトになるのです。そして、マントル遷移層の水に関する長年の論争を解決してくれた。リングウッダイトは1.5パーセントの水を含み、液体ではなく水酸化物イオン（酸素と水素の分子が結合したもの）として存在しているのです。この結果は、深さ254〜410マイル（410〜660km）に広がるマントル遷移層に、膨大な量の水が蓄えられている可能性を示唆している。
地球のコンベアベルトは水の海を閉じ込める
ベッキー・オスキン著 2014年1月29日
カリムスキー火山
1996年のカリムスキー火山の噴火は、マグニチュード7.1の地震に先行された。(画像出典：Mikhail Zelensky）。
地球の奥深くまで、水、水、水。これは、地球の削られた構造プレートの衝突の結果であることが、新しい研究で明らかになった。
沈み込み帯では、あるプレートが別のプレートの下深くで曲がっているため、沈み込むプレートがベルトコンベアーのように働き、何十億年もかけて海一杯分以上の水をマントル（地殻の下の層）へと運んでいることが、『Geology』誌1月10日号に掲載された研究者によって報告されている。一つの沈み込み帯の寿命は10億年よりはるかに短いが、地球のすべての沈み込み帯がマントルに水を流し込む累積効果は、これまで考えられていたより多くの水が地球の深層に蓄えられている可能性を意味すると、研究者は声明で述べている。
英国リバプール大学の地震学者である筆頭著者トム・ガース氏は、「これは、地球の深部に大量の水が貯蔵されているという説を支持するものです」と声明の中で述べている。
マントルの水は、プールや湖ではなく、マントルの結晶の間にある微小な隙間にある。これまでの研究で、マントルに大量の水が蓄えられている可能性が示唆されているが、その総量については激しい論争が続いている。