地球マントル内のウランの潜在的な宿主相としてのU2[CO3]3およびU[CO3]2の高圧合成

地球深部に潜む見えない熱

地球内部の熱の多くは、ウランのような元素のゆっくりとした放射性崩壊から生じます。この熱はプレートテクトニクスを駆動し、火山を動かし、何十億年にもわたって惑星の形を作ります。しかし、科学者たちはまだ、マントル深部でウランがどこに、どのような形で蓄えられているかを完全には把握していません。本研究は意外な可能性を探ります：地表から遠く下にある炭素に富む岩石が、特別な炭素に基づく鉱物の内部にウランを隠しているかもしれず、それが地球内部で熱がどのように生み出され、元素がどのように移動するかを説明する助けになる、という可能性です。

ウランの深部の“居場所”が重要な理由

ジオニュートリノと呼ばれる幽霊のような粒子の観測は、ウランが地球内部の熱の大きな割合を供給していることを示しています。地表近くでは、ウランはウラナイナイトやウラニル炭酸塩のような酸素に結合したよく知られた形でさまざまな鉱物に見られます。しかし、地殻と核の間に広がる巨大な岩石層であるマントルは状況が異なります。一般的なマントル鉱物は大量のウランを受け入れにくいため、より珍しい宿主が存在するはずです。同時に、ダイヤモンドや高圧実験から、深部マントルの一部が意外に炭素に富む可能性があることがわかっています。そこで重要な疑問が生じます：炭素と酸素の基礎単位から成る炭酸塩鉱物は、数百キロメートル下の巨大な圧力と高温のもとでウランを閉じ込めることができるのか？

実験室で地球深部を再現する

この考えを検証するために、研究者たちは地球の遷移層、概ね表面から約600キロメートル下に相当する条件を再現しました。彼らはダイヤモンドアンビルセルと呼ばれる装置を用い、試料を二つのダイヤモンドの間で圧縮して約20ギガパスカル、すなわち大気圧の20万倍以上に相当する圧力を達成しました。小さな二酸化ウランの結晶をこの微小な高圧室に入れ、固体の二酸化炭素で取り囲みました。次にレーザーで試料を約1800ケルビンまで加熱し、その付近のマントルで予想される温度に近づけました。加熱中および加熱後、ラマン分光法で原子振動と光の相互作用を調べ、さらに新しく生成した結晶の原子配列を明らかにする強力なシンクロトロンX線を用いて試料を精査しました。

新しいウラン含有鉱物の発見

実験の結果、二酸化ウランは圧縮された二酸化炭素と反応して、水を含まない二つのまったく新しいウラン炭酸塩を生成することが示されました。一つはU2[CO3]3と呼ばれ、比較的低い電荷状態のウラン（一般に「三価」と表現されることが多い）を含み、もう一つはU[CO3]2で、やや高い電荷状態（「四価」）のウランを持ちます。両者ともに炭素と酸素は平面状の三角形の基団を形成し、それらが積み重なり異なる方法で連結され、ウラン原子は不規則な酸素の籠（かご）の中に包まれています。シンクロトロンX線回折を用いて、研究チームは各化合物の詳細な三次元原子配列を決定しました。その後、量子力学に基づく高度な計算を行い、これらの配列が安定であること、そして新鉱物が圧力下でどの程度圧縮されるかを検証しました。

原子構造が示すもの

構造データと計算結果は、これらの新しいウラン炭酸塩がカルシウムやストロンチウムのようなより一般的な金属を含む他の高圧炭酸塩とよく似た振る舞いをすることを示しています。ウランと酸素の間の距離や炭酸基団の連結の仕方は、非常に高い圧力下でも強く安定した結合を示唆します。重要なのは、これらの鉱物中のウランが、地表近くのウラニル鉱物で見られる通常の高い正電荷状態に比べて還元された形で存在していることです。これはマントル深部で期待される酸素の乏しい「還元的」条件と整合します。結晶の機械的性質、すなわち圧縮のされ方も、マントル関連のよく知られた炭酸塩と同じ範囲にあり、これらの相が現実的な深部条件下で存続し得ることを示唆します。

地球内部への示唆

この二つの新しいウラン炭酸塩を合成し特性評価したことで、単純な水を含まない炭酸塩鉱物が、特に炭素に富む領域において、深部マントルの圧力・温度条件下でウランを受け入れ得ることが示されました。これは、表層近くで形成されたウラニル炭酸塩が沈み込む過程で深部へ運ばれると、ここで見いだされたような還元ウラン炭酸塩に変化し、放射性元素とそれらが生み出す熱を地表から遠く離れた深部に蓄えるのに寄与するという妥当な説明を提供します。今後は、これらの鉱物が他のマントル岩石と共存する中でどれほど安定かを調べる研究が進めば、地球内部でのウランの分配と、それが惑星の長期的な熱力学的エンジンにどのように寄与するかがさらに明らかになるでしょう。

引用: Spahr, D., Bayarjargal, L., Bykova, E. et al. High-pressure synthesis of U₂[CO₃]₃ and U[CO₃]₂ as potential host phases for uranium in the Earth’s mantle. Commun Chem 9, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01911-0

キーワード: ウラン炭酸塩, 地球マントル, 高圧鉱物, 深部炭素循環, 放射性熱