マントル上昇流における融解の普遍的概念

なぜ深部地球の融解が私たちに重要なのか

足元のずっと深くで、地球のマントル中の熱い岩石は巨大なラバランプの流れのようにゆっくりと上昇しています。この見えない運動が火山を駆動し、新しい海底を作り、深部からダイヤモンドを運びます。しかし科学者たちは長年、基本的な疑問に悩まされてきました：マントル岩石が大深度で最初に融解を始めるとき、その最初の溶融はどのようなものなのか、そしてそれは海洋、島、大陸の下で同じ法則に従うのか？本研究はその謎に取り組み、単一の炭素に富む溶融が地球の多くの火山の根源にある可能性を主張します。

深部“溶岩”の最初の一滴

固体のマントルが上昇すると圧力が下がり、融解しやすくなります。従来のモデルでは「乾いた」岩石は比較的浅い深さ、約40～70キロでしか融解を始めないとされていました。しかし地表で採取される実際の溶岩にはしばしば二酸化炭素（CO₂）や水が溶け込んでおり、これらがより深部での融解を引き起こす可能性があります。著者らはおよそ230～250キロの深さ付近で何が起きるかに着目しました。そこではマントル中の微量の金属と炭素が鉄を含む鉱物と反応し、固体炭素（ダイヤモンドや金属合金として）の酸化によりCO₂が生成され、その結果マントル岩石は通常より数百度低い温度で融解を始められるようになります。

普遍的な出発レシピ：キンバライト様の炭素豊富溶融

この深部の「酸化還元（レドックス）による」融解がどこでも同じように振る舞うかを検証するため、研究者らは約7ギガパスカル、すなわちおよそ230キロの深さに相当する高圧実験を行いました。出発材料として、ダイヤモンドを運ぶことのあるキンバライト、ホットスポット由来のアルカリ性海洋島玄武岩、そして中央海嶺で海洋地殻を作るトレレイティック玄武岩という非常に異なる3種の地表溶岩を用いました。実験室でこれらを適切な圧力と温度で現実的なマントル鉱物組成と平衡させたところ、起源が異なっていても、3種はいずれもほぼ同じ種類の溶融に収束しました：CO₂に富み、マグネシウムとカルシウムを含む珪酸塩液体で、アルミニウムが少なく、天然のキンバライト様組成に近いものでした。これは、マントルの固相上昇がどれだけ熱く幅広くても、レドックスフロントを越えるとまず概ね類似した炭酸（カルボネートを含む）系のキンバライト様溶融を生成することを示唆します。

一種類の溶融が多様な火山スタイルに変わる仕組み

これら最初の炭素豊富な溶融が形成されると、それらは形を変えずに上昇するわけではありません。溶融は周囲のペリドタイトを通って上方へ浸透し、鉱物を溶かし、圧力が低下するにつれて一部のCO₂を失います。この反応的多孔流と呼ばれる過程によって総溶融量は着実に増え、組成はよりケイ酸（シリカ）に富み、揮発成分が減る方向へ変化します。非常に厚く古い大陸根（コンチネンタルリート）の下では、溶融は生成地付近で取り出され、CO₂や不適合元素に富む典型的なキンバライトとして噴出することがあります。ほどほどに厚いリソスフェアをもつ海洋島の下では、同じ始原的溶融が強くアルカリでシリカ過飽和ではない溶岩へと進化します。覆うプレートが薄く、浅部まで融解が続く場合には、元のキンバライト様の指紋は、中央海嶺で見られるような体積の大きい乾いたシリカ豊富な玄武岩によってほとんど完全に上書きされます。

微量元素と地震波からの手がかり

溶岩中の化学的指紋がこの共通の起源を支持します。ストロンチウム、ネオジム、ハフニウム、鉛といった元素の同位体は、キンバライト、海洋島玄武岩、中央海嶺玄武岩がいずれも同様の深部マントル貯留層を利用していることを示しており、ただし融解度合いや混合の程度が異なります。微量元素パターンは非常に小さな溶融分率（キンバライトのような）から始め、海嶺下で見られるより高い値に向けて溶融量を増やすことで説明できます。地震学は独立した証拠を提供します：全世界的に観測される低速度帯（通常は少量の溶融を含むと解釈される）は海洋盆地の下およそ200～250キロの深さに位置します。この深さ範囲は炭素誘起融解が始まるはずのレドックスフロントと一致しており、同じプロセスが世界的に働いていることを示唆します。

複雑な火山を下から見た単純な大局観

専門外の方への要点はこうです：ダイヤモンドを含むキンバライトからハワイのような島列、そして海底を覆う玄武岩まで、地球の最も多様な溶岩の多くは本質的に同じ種類の深部の炭素豊富な溶融から始まっている可能性があるということです。地表で見られる違いは主に、それらの溶融がどれだけ移動したか、上昇中にどれだけ増えたか、そして覆うテクトニックプレートの厚さによって生じます。この見方では、深部マントルの炭素は単なる雑多な成分ではなく、固体の上昇流を溶融を含むプルームへと変えるスイッチであり、地球内部で融解が始まる仕組みに対する統一的で惑星規模の枠組みを提供します。

引用: Schmidt, M.W., Paneva, N. & Giuliani, A. A universal concept for melting in mantle upwellings. Nature 650, 903–908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10065-3

キーワード: マントル融解, キンバライト, マントル中の二酸化炭素, 海洋島玄武岩, 中央海嶺玄武岩