【地球科学】鉱物の新しい測定法でマントルの謎を解き明かす
Nature
主要なマントル鉱物の1つで、地球表面では不安定なケイ酸カルシウムペロブスカイトに適用できる初めての室内測定法について報告する論文が、今週掲載される。この新知見により、地震波が異常な速度で移動すると考えられている沈み込んだ海洋地殻領域が上部マントルの底部に存在しているという見解が裏付けられた。
地震波が地球内部を通過する過程に関しては、モデルと実験室試験の結果がいくつかの点で一致しないことから、上部マントルと下部マントルとの境界（深さ560～800キロメートル）に化学的に異なる物質が存在し、それが沈み込んだ海洋地殻かもしれないことが示唆されている。その主要成分は、ケイ酸カルシウム（CaSiO3）ペロブスカイトという鉱物だと考えられている。しかし、CaSiO3ペロブスカイトは、地球表面よりも内部の高温の条件下では、地球表面の場合とは異なる立方晶構造となるため、実験室内での超音波速度測定はこれまで行われていなかった。
今回、Steeve Greauxたちの研究グループは、実験室内で立方晶CaSiO3ペロブスカイトを作製し、地球の上部マントル底部に相当する条件に至るさまざまな圧力と温度の条件下で、超音波速度測定を行った。その結果、CaSiO3ペロブスカイトの剛性が理論予測値より約25％低く、そのため、超音波はこれまで考えられていたよりもゆっくり移動することが明らかになった。Greauxたちは、この結果が、下部マントル最上部に海洋地殻が蓄積しているというこれまでの仮説の証拠になると考えている。
The first lab-based measurements of calcium silicate perovskite, a major mantle mineral that is not stable on the Earth’s surface, are reported in this week’s Nature. The findings support the proposal that regions of subducted oceanic crust exist at the base of the upper mantle - through which seismic waves are thought to travel at anomalous velocities.
Discrepancies between models of how seismic waves pass through the Earth and equivalent lab tests suggest that at the boundary between the upper and lower mantle (560-800 km deep), chemically distinct material is present, which might be subducted oceanic crust. The mineral calcium silicate (CaSiO3) perovskite would be a major component of this material. However, lab-based velocity measurements of CaSiO3 perovskite have never been made, as it takes a different, cubic form at high temperatures than on the Earth’s surface.
Steeve Greaux and colleagues created cubic CaSiO3 perovskite in the lab and took ultrasonic sound velocity measurements of the CaSiO3 perovskite at various pressures and temperatures - up to conditions equivalent to the base of the Earth's upper mantle. They find that CaSiO3 perovskite is about 25% less rigid than theoretically predicted and that waves would therefore travel more slowly through it than previously thought. The authors suggest that these results provide evidence for the accumulation of oceanic crust in the uppermost lower mantle as previously hypothesized.
doi: 10.1038/s41586-018-0816-5
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