原始的なマグネシウムの存在が地球最外部外核の地震学的低速層を説明しうる

なぜ地球の深部が重要なのか

私たちの足元から2,800キロメートル以上下にある液体金属の外核は、磁場を生み出し惑星を居住可能にする原動力となるかき混ぜられた領域です。地震による波は、この外核の最上部が音を伝えるのが異様に遅く、E′層と呼ばれる謎めいた低速層を形成していることを示します。本論文は、表層の岩石に多く含まれるおなじみの元素—マグネシウムが、地球形成期の激しい過程で核に取り込まれ、現在この不可解な隠れた層を説明するのに寄与しているかを検討します。

地球深部の奇妙な低速域

地震学者は地震波が異なる層を通過する際の速度変化を追うことで地球内部をモデル化します。広く用いられるPREMのような標準モデルは、外核を鉄に富む高密度の液体とし、シリコン、酸素、硫黄、炭素、水素のような少量の元素でわずかに“軽くなっている”と表現します。しかし、新しい地震モデルは外核の上部数百キロメートルで音速が期待より約1%ほど遅くなることを示しています。従来の説明は化学的に層状になった外核を想定しましたが、通常の「軽い」元素は鉄中で波の速度を上げる傾向があり、速度を下げるはずがありません。これがパラドックスを生み、地震データに合致するほど遅く、かつ安定して層状を維持できるだけの軽さを同時に持つ層を作るのは不可能のように見えました。

液体鉄中のマグネシウムを試す

著者らはマグネシウムに注目します。マントルに豊富だが核には乏しいと考えられてきた元素です。高圧実験は、特に月形成を伴う巨大衝突のような強烈な条件下で、一部のマグネシウムが溶融鉄に溶け込む可能性を示唆してきました。しかしこれまで、外核の極端な圧力・温度におけるマグネシウムが液体鉄の密度や音速にどのように影響するかを厳密に計算した研究はありませんでした。著者らは第一原理分子動力学という量子に基づくシミュレーション法を用い、340ギガパスカルまでの圧力と7500ケルビンまでの温度という地球深部に対応する条件で、異なる少量のマグネシウムを混ぜた液体鉄をモデル化しました。

マグネシウムが核の性質をどう変えるか

シミュレーションは、マグネシウムを液体鉄に加えると密度と圧縮波（音に類する波）の速度がほぼ線形に低下することを示しました。音速への影響は控えめですが、重要なのはこれは他の軽元素の効果とは逆で、他の軽元素は波の伝播速度を速める傾向がある点です。著者らは新たな鉄–マグネシウムの結果を既存の他の軽元素データと組み合わせ、地震学的密度、地震波速度、そして各元素が核に含まれうる化学的限界という条件を同時に満たす外核組成モデルを構築しました。均一に混ざった外核と、上部に別個の層を持つ二層構造の両方を検証したところ、成功するすべてのモデルで外核にマグネシウムが必要であり、典型的には質量比で約0.5〜1.8%程度、特にE′層が観測される最外部の数百キロメートルに濃集していることが示されました。

宇宙的衝突とマグネシウムに富む殻

これらの発見はE′層の劇的な起源像を示唆します。月形成の衝突以前、地球はすでにシリコンや水素をある程度含む液体鉄の核を持っていたがマグネシウムは比較的少なかった可能性があります。巨大衝突は惑星の一部を極端に加熱し、追加のマグネシウムやシリコン、酸素が金属に溶け込み既存の核へ沈み込んだと考えられます。このマグネシウムを多く含む金属は比較的浮力があったため、外核の最上部に層状の殻として集積しました。数十億年の冷却過程で、シリカや水、酸化鉄、場合によっては酸化マグネシウムなどの成分がゆっくりと結晶化したりマントルへ再移動したりした可能性があります。残ったのはマグネシウムに富み酸素がやや乏しい上部外核で、これはわずかに軽く地震波を遅らせる組成であり、観測されるE′層と一致します。

これが地球にもたらす意味

専門外の人には核は遠い存在に思えるかもしれませんが、その組成は地球の磁場、熱流、長期的な進化を左右します。本研究は、外核に存在する比較的小さな量の原始的マグネシウムが、基本的な化学的・地震学的制約を破ることなく長年の謎であった低速のE′層を解決しうることを示しています。また、地球のケイ酸塩マントルが一部の原始的隕石よりもややマグネシウムに乏しい理由を説明する手がかりにもなり、マグネシウムの可観測な割合が核深部に隠れていることを示唆します。簡単に言えば、著者らは月を形成した巨大衝突の際に運ばれ再配置された僅かなマグネシウムが外核の薄い“皮”として残り、地震波が惑星全体で検出できるほどの微妙だが強力な効果をもたらしたと主張しています。

引用: Liu, T., Jing, Z. Presence of primordial Mg can explain the seismic low-velocity layer in the Earth’s outermost outer core. Nat Commun 17, 1886 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68572-4

キーワード: 地球核, マグネシウム, 地震波, 巨大衝突, 外核の組成