大阪大学大学院理学研究科の西真之准教授、大学院生（研究当時）の河野克俊さんを中心とする研究グループは、大阪大学大学院理学研究科の近藤忠教授、高輝度光科学研究センターの柿澤翔テニュアトラック研究員、広島大学の井上徹教授、愛媛大学の桑原秀治講師との共同研究により、地球内部の水がマントル最深部の地震波の速度を低下させる新たなメカニズムを発見しました。

地球の中心部にある核(液体の鉄)とその外側のマントル(鉱物)が接する「核―マントル境界（深さ2900キロメートル）」には、地震波が極端に遅く伝わる「地震波超低速度領域(以下、低速度域)」と呼ばれる特殊な領域が存在します(図1)。これまで、核からマントルに移動する鉄元素が、この速度低下を引き起こしているという説が提唱されていましたが、鉄元素がどのようにしてマントル内を移動するのか、そのメカニズムは大きな謎でした。

今回の研究では、地球内部の高温・高圧の環境を再現する実験により、水が鉄と反応することで新たな鉱物を作り出し、鉄元素がその鉱物内を高速で移動することを確認しました。これにより、マントルに水が存在することで低速度域の形成につながることが示唆されました。また、この領域の大きさを形成するには、約30京トンの水（地球全体の海水の約20%に相当）が必要であると推定されました。この発見は、地球表層の水がマントル、そして核にまで循環している可能性を強く示唆しており、地球の成り立ちや内部構造の理解に新たな視点を提供することが期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」(オンライン)に、10月１５日（火）１８時（日本時間）に公開されました。

図1. 地球内部の断面図と地震波超低速度領域（低速度域）

地震波の伝わり方は、地球内部の構造に関する情報をもたらします。地表からの深さ2900キロメートルは、液体の鉄でできた核と、鉱物でできたマントルが接する「核－マントル境界」です。地震観測データによると、この境界のマントル側には、地震波が極端に遅く伝わる領域「低速度域」と呼ばれる数十キロメートルにわたる厚さの領域が存在します（図１）。この低速度域の成り立ちは地球科学の大きな謎の一つであり、長年にわたり議論が続いています。

一つの有力な仮説として、核からマントルへの鉄元素の移動が提案されています。しかし、これまでの研究で明らかになったのは、マントルを構成するケイ酸塩鉱物内を鉄元素が移動する速度は非常に遅いという事実でした。46億年という地球の歴史を経ても、鉄元素の移動はわずか数メートルと見積もられ、低速度域の広がり（数十キロメートル）を説明することはできませんでした。

今回の研究では、鉄元素の移動を促進する要因として「水」に注目しました。水成分を含む鉱物(含水鉱物など)はマントルに存在しています。近年の研究によると、地球内部には、海水の数倍にも及ぶ水が存在する可能性が示されており、低速度域の謎を解く鍵になると考えました。

研究グループは、高温・高圧の環境を再現するマルチアンビル装置を使用し、液体の鉄と鉱物が接する核―マントル境界を模擬しました。実験の結果、鉱物が水を含む場合にのみ、鉄元素が鉱物側に高速移動することが初めて確認されました（図２）。さらに、鉄の移動距離は試料に含まれる水の量に応じて増加し、水が鉄元素の移動に不可欠であることが明らかになりました。

では、水がなぜ鉄元素の移動と関係するのでしょうか。今回の実験では、水と鉄が化学反応して新たに「フェロペリクレース」という鉱物が生成されました。フェロペリクレース中の鉄元素の移動速度は、マントルを主に構成するケイ酸塩鉱物と比べ、数桁速いことが知られています。実際のマントルにおいても(図３)、水により生成されたフェロペリクレースが鉄元素の移動経路となることで、数十キロメートルの鉄元素の移動が可能となり、低速度域を形成したと考えられます。

図2. 実験回収試料の電子顕微鏡像

図3. 水循環と低速度層の形成

本研究の結果は、水がマントル最下部の構造に重要な役割を果たしていることを示唆しています。同時に、地球内部の水の循環が、地球表層からマントル全体、さらに核にまで及ぶことを支持するものです（図1）。実験結果に基づく推定では、約30京トンの水（地球全体の海水の約20%に相当）により低速度域が形成されています(図４)。今後、実験や数値モデル計算などにより、地震波速度と水循環の関係がさらに検証され、地球の運動や進化に関する議論に大きな影響を与えると期待されます。

図４. 核(液体の鉄)と反応する水(H2O)の量と地震波速度の関係

本研究成果は、202４年１０月１５日（火）１８時（日本時間）に英国科学誌「Nature Communications」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Extensive iron–water exchange at Earth's core–mantle boundary can explain seismic anomalies”
著者名：Katsutoshi Kawano, Masayuki Nishi, Hideharu Kuwahara, Sho Kakizawa, Toru Inoue and Tadashi Kondo
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52677-9

なお、本研究は、JSPS科研費(JP 22H01322)の支援により実施されました。