地球マントル深部の圧力で安定化された隠れた鉛の貯留層

地下深くに隠れた鉛が重要な理由

私たちの足下に閉じ込められた鉛は、地球の形成と進化に関する手がかりを握っていることが分かってきました。数十年にわたり、科学者たちはひとつの謎に取り組んできました。すなわち、地表で採取できる岩石中の鉛は期待よりも「放射性生成物（ラジオジェニック）」に偏っており、元来の非放射性の鉛が大量に失われているように見えるのです。本論文は、その失われた鉛がしばしば想定されるように地球の核にあるのではなく、地球深部の極度の圧力下でのみ安定化する特別な鉛─硫黄鉱物に閉じ込められているという考えを探ります。

鉛に関する長年のミステリー

地球化学者はウランやトリウムの放射崩壊で生まれるさまざまな形の鉛を、地球の歴史を測る時計やトレーサーとして利用します。入手可能なマントル岩石や大陸地殻の鉛と原始隕石を比較すると、地表で手に入る地球の鉛は放射性生成物に過度に富んでいるように見えます。この「失われた鉛の逆説」は、多くの古い非放射性鉛が手の届かない場所に大規模に存在することを示唆します。これまでの考えではその貯蔵庫は主に金属核にあるとされてきましたが、実験や分配計算は核だけでは十分な量の鉛を隠しきれないことを示しています。したがって、岩石部分（マントル）内部に追加の、まだ見つかっていない貯蔵庫がある可能性が示唆されます。

極圧下で現れる新しい鉛─硫黄鉱物

著者らは、この問題を解くために強力な計算手法を用いて、地表から核－マントル境界までの極端な圧力下で鉛と硫黄の原子が取り得る安定な配列を総当たり的に探索しました。彼らは、地表で一般的な鉱石鉱物である方鉛鉱（PbS）がこの広い圧力範囲で安定にとどまり、圧力増加に伴い複数の高密度晶系へと移行することを確認しました。さらに興味深いのは、PbS2とPbS3という2つの化合物を同定したことで、これらは高圧下でのみ安定化し、硫黄原子の異常な鎖やクラスターを含んでいます。これらの位相の振動特性の計算は動的に安定であることを示し、電子構造の解析は硫黄単位内で電子が強く共有されていることを明らかにし、深部で圧縮されるときにこれらの鉱物が安定化する助けになっていることを示しています。

熱い惑星内部でのこれらの鉱物の振る舞い

これらの相が実際に地球内部で存在し得るかを調べるため、研究チームは圧力だけでなく高温に対する応答も計算し、相図を構築して融点を推定しました。PbSは非常に耐火性が高く、核－マントル境界付近の条件でも固体のままで、原子拡散の兆候がないため、一度結晶化すれば何十億年も持ちこたえることができます。PbS2も比較的融けにくく、上部マントルや下部地殻で結晶のままでいられます。これに対してPbS3は融点が推定マントル温度の周辺かやや下に位置し、深部では部分的に溶融として存在する可能性が高いです。これらの相の対照的な振る舞いは、鉛を閉じ込める一方で、時折一部を地表側へ漏らすようなシステムを作り出す下地を形成します。

深部の貯蔵庫と地表へのゆっくりとした漏出

著者らは、地球の初期のマグマオーシャンと核形成から始まる惑星史を提案します。その火熱の初期段階では、鉛は硫黄を多く含む液体に取り込まれやすく、その一部は核へ運ばれた可能性があります。しかし彼らの計算は、鉛の大部分が代わりに密なPbS結晶に閉じ込められて深部マントルに沈降し、ウランやトリウムから安全に隔離されてその古い同位体特性を保った可能性を示しています。地球の歴史が進むにつれて、沈み込み帯によって余分な硫黄がマントルに運ばれ、PbSが反応してPbS2、特に融点の低いPbS3を生成する硫黄に富むポケットが形成されます。PbS3が溶融しマントル流動によって上昇すると、浅い深度で崩壊してわずかな非放射性鉛を火成活動で採取される領域に放出します。このゆっくりとした「漏れ」が、ごく一部のマントル試料で観察される異常に非放射性の鉛の存在を説明する助けになります。

地球像への意味

平たく言えば、この研究は失われた鉛の逆説を異常な核専用の貯蔵庫を仮定せずに説明できることを示します。代わりに、地球は元来の鉛の多くをマントル深部に埋もれた頑強な、圧力で安定化する鉛─硫黄鉱物の中に隠している可能性があり、硫黄に富む反応がその古い鉛の一部を時間をかけて地表へ戻す限定的な経路を作り出します。本研究は惑星の酸化還元および硫黄サイクルを鉛同位体の長期進化に結び付け、同様の高圧硫化物貯蔵が他の岩石惑星の化学史にも静かに影響を与えている可能性を示唆しています。

引用: Liu, S., Guo, M., Yu, S. et al. Hidden pressure-stabilized lead reservoirs in Earth’s mantle. Nat Commun 17, 2913 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69772-8

キーワード: 鉛同位体, 地球マントル, 硫化鉱物, 惑星の分化, 深部貯留層