ブラジルの泥から採れた数百個の小石サイズのダイヤモンドが、ノースウェスタン大学の金庫の中に置かれています。一部の人にとって、それらは無価値かもしれません。ノースウェスタン大学の鉱物学者であるスティーブ・ヤコブセン氏は、「彼らはボロボロです。 「彼らは洗濯機を通したように見えます。」多くは暗い色または黄色で、宝石商の夢の原始的な宝石とはかけ離れています。
しかし、ヤコブセンのような研究者にとって、これらの結晶性炭素の断片は、ダイヤモンドそのものではなく、内部に閉じ込められているもの、つまり地球のマントルの奥深く、地下数百キロメートルで鍛造された鉱物の斑点にとって、あらゆる点で貴重です。
これらの鉱物の斑点は、小さすぎて顕微鏡でも見ることができませんが、他の方法では到達できない地球の内部を垣間見ることができます。 2014 年、研究者たちはこれらの鉱物に埋め込まれている何かを垣間見ました。それは、その深い起源がなければ目立たなかったでしょう:水です。
実際の水滴ではなく、H2 の分子でさえありません 0ですが、その成分は、鉱物自体の結晶構造に埋め込まれた水素と酸素の原子です。この含水ミネラルは湿っていません。しかし、溶けると水がこぼれます。この発見は、上部マントルと下部マントルに挟まれた遷移帯と呼ばれる領域で、410 から 660 キロメートル下のこの深部に水を豊富に含む鉱物が存在することを初めて直接的に証明した.
それ以来、科学者たちは、水に関するさらに興味をそそる証拠を発見しました。 3月、チームは、地球のマントルから実際の水が内部に閉じ込められたダイヤモンドを発見したと発表しました.地震データはまた、地球内部の大部分にわたって水に優しい鉱物をマッピングしました。一部の科学者は現在、巨大な貯水池が私たちの足元に潜んでいる可能性があると主張しています。地球のすべての地表水を 1 つの海と見なし、地下に海が少しでも存在することが判明した場合、科学者が地球の内部について考える方法が変わるでしょう。しかし、別の疑問も生じます。それはどこから来たのでしょうか?
ウォーターワールド
水がなければ、私たちが知っている生命は存在しません。今日私たちがよく知っている生き生きとしたダイナミックな惑星もそうではありません。水はプレート テクトニクスにおいて不可欠な役割を果たし、火山を引き起こし、上部マントルの一部がより自由に流れるのを助けます。それでも、マントルの大部分は比較的乾燥しています。たとえば、上部マントルは、主にかんらん石と呼ばれる鉱物でできており、水分をあまり蓄えられません。
しかし、410 キロメートル以下の遷移帯では、高温と高圧がカンラン石をワズレアイトと呼ばれる新しい結晶構造に押し込みます。 1987 年、コロラド大学の鉱物学者である Joe Smyth は、ワズレアイトの結晶構造に隙間があることを発見しました。これらのギャップは、水素原子に完全に適合することが判明し、水素原子はこれらの欠陥に寄り添い、すでに鉱物内にある隣接する酸素原子と結合する可能性があります.スミスが発見したワズレアイトは、潜在的に多くの水素をつかみ、それが溶けたときに水を生成する含水鉱物に変えることができる.スミスのような科学者にとって、水素は水を意味します。
遷移帯のより深いところで、ワズレアイトはリングウッダイトになります。研究室では、ヤコブセン (1990 年代にスミスの大学院生だった) がリングウッダイトの破片を絞って加熱し、遷移帯の極端な条件を模倣しました。ワズレアイトとリングウッダイトの両方で同様の実験を行った研究者は、移行帯では、これらの鉱物が重量の 1 ～ 3% の水を保持できることを発見しました。移行帯が地球の質量の約 7% を占める約 250 キロメートルの厚さの殻であることを考慮すると (比較すると、地殻はわずか 1% です)、地球の海洋の数倍の水を含む可能性があります。
ただし、これらの実験は水の容量を測定するだけです。オハイオ州立大学の地球物理学者であるウェンディ・パネロ氏は、「これは海綿がどれだけ濡れているかの測定値ではなく、海綿が保持できる量の測定値です」と述べています。
研究者は実験室で成長したリングウッダイトしかテストできなかったため、実験は必ずしも現実的ではありませんでした。いくつかの隕石を除けば、誰も自然界でリングウッダイトを見たことがありません。つまり、2014 年までです。
興味をそそる手がかり
サッカー ファンが 2014 年のワールド カップのためにブラジルに集まっている間、地質学者の小さなグループは、ブラジリアから西に約 2,000 キロ離れた都市、ジュイナ周辺の農地に向かいました。彼らは、地元の川から集められたダイヤモンドを探していました。
ダイヤモンドはマントルの熱と高圧の中で形成されるため、鉱物のかけらを閉じ込めることができます。ダイヤモンドは非常に丈夫で硬いため、火山噴火によって地表に吹き飛ばされても、これらのマントル鉱物を保持しています。
研究者たちは、最も斑点のある、ミネラルで満たされた結晶を 1,000 個以上購入しました。科学者の 1 人である Graham Pearson は、数百個をアルバータ大学の研究室に持ち帰って、ある特定のダイヤモンドの内部で、彼と彼の同僚が遷移帯からリングウッダイトを発見しました。それだけでなく、それは含水リングウッダイトでした。つまり、水分が約 1 重量パーセント含まれていました。
ニューメキシコ大学の地震学者であるブランドン・シュマントは、「これはもっともらしいという点で重要な発見です。科学者たちは初めて、移行帯のサンプルを手に入れました。それは水和していました。 「ですから、移行ゾーンの他の部分も水分補給されていると考えるのは、まったくおかしなことではありません。」
しかし、「1つの結晶が遷移帯全体の平均を表していると考えるのは、少しおかしなことでもあります.」結局のところ、ダイヤモンドは特定の条件でのみ形成され、このサンプルは独特の水の多い場所から産出される可能性があります.
含水リングウッダイトがどの程度広がっているかを確認するために、シュマントはヤコブセンなどとチームを組み、地震波を使用して地図を作成しました。対流により、含水リングウッダイトは沈む可能性があり、遷移帯より下に落ちると、圧力の上昇により水が絞り出され、鉱物が溶けます。マントル物質が下降している遷移帯のすぐ下にあるこれらの溶融鉱物のプールは、地震波を急激に遅らせることができます.北アメリカの下で地震速度を測定することにより、研究者は実際に、そのようなプールが遷移帯の下で一般的に見えることを発見しました.ヨーロッパ アルプスの下で地震波を測定した別の研究では、同様のパターンが見つかりました。
豊富なマントル水は、3 月にネバダ大学ラスベガス校の鉱物学者 Oliver Tschauner が率いるチームが実際の水の氷片を含むダイヤモンドを発見したときに、さらに勢いを増しました。 /サブ> マントルからおお。サンプルは、遍在する貯留層の存在よりも、ダイヤモンドを形成した湿潤条件についてより多くを語っている可能性があります。しかし、この水 (ice-VII と呼ばれる高圧形態) はアフリカ南部と中国のさまざまな場所で発見されたため、比較的広範囲に広がっている可能性があります。
カーネギー研究所の地質学者であるスティーブ・シャイリー氏は、「今から数年後には、氷-VIIがはるかに一般的であることがわかるでしょう. 「それは、含水リングウッダイトが私たちに語っているのと同じ物語を持っていることを私たちに伝えています。」
しかし、マントルが水で溢れているという話なら、クリフハンガーはどうやってそこにたどり着いたのか不思議に思う.
水の起源
標準的な話によると、地球の水は輸入されました。惑星が形成された太陽の周りの領域は、水などの揮発性化合物が凝縮するには暑すぎました。そのため、発生期の地球は最初は乾いていましたが、遠く離れた太陽系から水を豊富に含んだ天体が地球に衝突し、水が地表に運ばれて初めて湿りました。これらのほとんどはおそらく彗星ではなく、炭素質コンドライトと呼ばれる小惑星であり、重量の最大 20% の水を含むことができ、リングウッダイトのような水素の形で貯蔵します.
しかし、移行帯に大量の水の備蓄があれば、水の起源に関するこの話は変えなければならないでしょう。移行帯がその重量の 1% の水を貯めることができれば (中程度の見積もりです)、世界の海の 2 倍が含まれることになります。下部マントルはより乾燥していますが、ボリュームもあります。それは、世界のすべての海に相当する可能性があります (再び)。地殻にも水があります。沈み込みが現在の速度で地表からそれほど多くの水を取り込むには、惑星の年齢よりもはるかに長くかかるだろう、とヤコブセンは言った.
もしそうなら、地球の内部の水の少なくとも一部は常にここにあったに違いありません。いくつかの理論によると、初期の太陽系の熱にもかかわらず、水分子が合体して地球を形成した塵の粒子にくっついた可能性があります。
しかし、マントル内の水の総量は非常に不確実な数字です。 Schmandt などによると、マントルは世界の海洋の半分の水しか保持していない可能性があります。
上限では、マントルは海洋の 2 ～ 3 倍の量の水を保持できます。それ以上の量があったとしたら、若い地球の追加の熱により、マントルは水っぽくなりすぎて大陸プレートを破壊できなくなり、今日のプレート テクトニクスは決して始まらなかった可能性があります。 「地表にたくさんの水があれば、それは素晴らしいことです」とイェール大学の地球物理学者である是永純氏は語った。 「マントルに大量の水があれば、それはよくありません。」
しかし、多くの不確実性が残っています。大きな疑問符の 1 つは下部マントルです。極度の圧力によってリングウッダイトがブリッジマナイトに変化し、水をまったく保持できなくなります。しかし、最近の研究では、フェーズ D およびフェーズ H と呼ばれる新しい含水ミネラルの存在が示唆されています。これらのミネラルが正確にどのようなもので、どのくらいの水分を蓄えることができるかについては、未解決の問題が残っていると Panero 氏は述べています。 「それは広く開かれた問題であるため、マントルの水分含有量は議論の余地があると思います — 広く開かれています。」
地球内部の貯水量を測定するのは簡単ではありません。有望な方法の 1 つは、マントルの電気伝導度を測定することだと是永氏は述べています。しかし、これらの技術は、たとえば地震波を使用するほど高度ではありません。また、地震波は地球内部の全体像を提供しますが、その全体像は必ずしも明確ではありません。信号は微妙であり、研究者は、リングウッダイトやワズレアイトだけでなく、より正確なデータと、より現実的なマントル物質の特性をよりよく理解する必要があります.これら 2 つの鉱物は遷移帯の約 60% を構成し、残りは他の鉱物と化合物の複雑な混合物です。
含水鉱物を含むダイヤモンドをさらに見つけることも役立ちます。ヤコブセンの研究室では、その仕事は大学院生のミシェル・ウェンツに任されています。各ダイヤモンドについて、彼女はアルゴンヌ国立研究所で強力な X 線を使用して、すべての鉱物の斑点の位置をマッピングします。次に、鉱物を特定するために、彼女は各ビットに X 線を照射し、その結晶構造からどのように放射線が散乱するかを測定します。研究所にある数百個のダイヤモンドのうち、すべてブラジル産で、彼女は約 60 個を通過しました。まだ水はありません。
水であろうとなかろうと、深部からのこれらのカプセルは依然として素晴らしい. 「それぞれがとてもユニークです」と彼女は言いました。 「彼らは雪の結晶によく似ています。」
訂正:この記事は、2018 年 7 月 11 日に誤植を訂正するために改訂されました。海洋の 2 倍または 3 倍の量の水を保持できるのは、海洋ではなくマントルです。
