リソスフェアマントルにおけるナノスケールの固体–流体相互作用とアンフィボール形成

地表下深くに潜む隠れたハイウェイ

大陸のはるか下方、地球のマントル内の岩石は見かけほど堅固で不変ではありません。わずかな量の高温高圧の流体がこの深く暗い領域を移動し、触れる鉱物を静かに変質させます。本研究はナノメートルスケール—メートルの十億分の一—で観察し、一般的なマントル鉱物がどのように水を含む鉱物に変わるか、そしてその過程が炭素を多く含む流体を地表へ逃がす微小な「ハイウェイ」をどのように作るかを示します。これらの隠れた相互作用を理解することは、地球が地質学的時間スケールで水と炭素をどのように蓄え放出するかを明らかにします。

深部の流体

上部マントルでは、岩石中に散在する超臨界流体のポケットが存在し、主に二酸化炭素に一部の水を含みます。深さ70キロメートル以深の極端な圧力と温度の下では、これらの流体は通常の液体でも気体でもない挙動を示します。流体は岩石の割れ目や粒界に浸み込み、鉱物内部に微小な包有物として閉じ込められることがあります。ここで研究されたキサノリス（マントルの岩片）—中央ヨーロッパのペルシャニ山地の火山活動によって地表に運ばれたもの—は、こうした包有物を輝石（クリノパイロキシン）内部に抱えており、同時に結晶格子内に水を多く含む別の鉱物、アンフィボールの薄片も含んでいます。

大きな変化を始める薄膜

著者らは高分解能電子顕微鏡と化学モデリングを組み合わせて、閉じ込められた流体と宿主クリノパイロキシン結晶との界面で何が起きるかを再構築しました。彼らは、流体全体が二酸化炭素に富んでいても、水分子は鉱物表面に濃縮して、わずか数ナノメートルの超薄い水リッチ膜を形成すると主張します。この薄膜中では、水が周囲の岩石由来の断片（ナトリウム、アルミニウム、ケイ素など）を溶かして運びます。クリノパイロキシンの最外層とこの含水薄膜が一体となって徐々にアンフィボールを形成するのに必要な組成に近づき、固体–流体界面で新しい鉱物が成長する条件が整います。

固体の縁から水を豊富に含む鉱物へ

時間が経つにつれて、結晶表面の微小な歪みや欠陥が局所的なクリノパイロキシンの溶解を誘発し、含水薄膜を過飽和状態にしてアンフィボールの成分を供給します。アンフィボールはちょうどクリノパイロキシンが溶解した場所で再沈殿し始め、単純な二相系（固体と流体）をより複雑な三相系—クリノパイロキシン、アンフィボール、残留流体—に変えます。含水薄膜は成長するアンフィボールに成分が取り込まれることで薄くなり、残された包有流体は相対的に二酸化炭素に富むようになります。本研究はこれらのナノスケールの再配列を化学的な「反応レシピ」に翻訳し、流体中の水含有複合体がアンフィボールの成長を供給しながら余剰のケイ素やカルシウムを流体に戻す仕組みを示します。

ナノチャネル：固い岩石を貫く目に見えない管

アンフィボールがクリノパイロキシンを置換する過程で、両者の結晶構造の不整合が予期せぬことを引き起こします：それは両鉱物が接する境界に沿って細長い空隙—ナノチャネル—を形成します。これらのチャネルは幅が数ナノメートルしかありませんが、結晶内の優先方向に沿って長く伸び、通常の孔隙がない場所でも流体成分が移動する効率的な経路を成します。水や特定の元素はチャネル壁に付着して結合を形成し、ナトリウムやアルミニウムのような原子を界面に沿って引き寄せるのに寄与します。クリノパイロキシンとアンフィボールの結晶が似た配向を共有するような変形したマントル帯では、多くのチャネルが配列して整然としたネットワークを形成し、通常は透水性のない岩石を通して炭素に富む流体を導くことができます。

ナノスケールの薄膜から全球的なガス放出へ

著者らは、超臨界流体存在下でのクリノパイロキシンからのアンフィボール形成が、深部リソスフェアの化学的・力学的進化における重要なステップであると結論づけます。最小スケールでは、鉱物表面の含水薄膜とそれらが生むナノチャネルは、水や多くの岩石を好む元素を新たな鉱物に固定化し、残留流体を二酸化炭素に富ませます。そうして炭素に富んだ流体は、リソスフェア内の深部にある弱点帯に沿って上方へ移動し、非火山性の持続的なCO2放出に寄与する可能性があります。要するに、本研究はマントル岩石のナノメートル厚の薄膜とチャネルが水と炭素の地球規模サイクルに影響を与え得ることを示しています。

引用: Lange, T.P., Pósfai, M., Berkesi, M. et al. Nanoscale solid-fluid interaction and amphibole formation in the lithospheric mantle. Sci Rep 16, 11009 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40179-1

キーワード: リソスフェアマントル, アンフィボール, 超臨界流体, ナノチャネル, マントル脱ガス