変位によるクリープが地球の下部マントルにおけるブリッジマナイト変形を支配している可能性

なぜ深部地球は違った振る舞いを示すのか

地表から何百キロ、あるいは千キロを超える深さでは、マントルの岩石は何百万年もの長い時間をかけてゆっくり流動しています。この深部の運動がプレートテクトニクスを駆動し、火山活動の様相を形作り、地震波が惑星内部を伝わる様子にも影響します。しかし、地震観測は一つの謎を示しています：沈み込むプレート周辺では波があたかも岩石がある方向に「伸ばされて」いるかのように振る舞う一方で、下部マントルの大部分ではほぼすべての方向で波速が同じに近いのです。本研究は、単一の主要鉱物であるブリッジマナイトが、主に温度に応じて両方の振る舞いを自然に説明し得ることを示します。

深部地球で最も一般的な鉱物

ブリッジマナイトは下部マントルで最も豊富な鉱物だと考えられており、この領域の岩石の約4分の3を占めます。結晶スケールでは全方向に等しく強いわけではなく、微小な結晶の配列によって地震波がある方向に対して速く伝わることがあります。多数の粒子が似た配向を示すとき—これを優先配向（プレファード・オリエンテーション）と呼びます—岩石全体として地震波に対して方向依存的（異方的）になります。長年にわたり、ほぼ等方的に見える下部マントルは、ブリッジマナイトが結晶面を滑らせるプロセスである変位クリープで変形していないことを意味するのか、という議論が続いてきました。変位クリープは通常、優先配向を生み出すためです。

実験室で深部マントルを再現する

この疑問に取り組むために、研究者らは合成ブリッジマナイト試料を約25ギガパスカルにまで加圧しました—これはおよそ深さ700～800キロ付近の圧力に相当します—さらに1700～2100ケルビンに加熱しました。鉄を含まない組成と鉄を含む組成の両方を試験し、実際のマントル岩石に期待される成分を再現しました。特別なプレスを用いて試料を制御された速度で押し潰し、剪断を与え、その後微小な結晶粒がどのように回転・再結晶したかを調べました。シンクロトロン施設で実施した高エネルギーX線回折により、変形前後の結晶格子の配向を精密にマッピングすることができました。

結晶配向の温度によるスイッチ

実験は、ブリッジマナイトの結晶が変形時にどのように配向するかに明確な温度駆動のスイッチが存在することを示しました。低温側（約1800ケルビン未満）では、結晶は強く秩序だったファブリックを発達させます：特定の結晶方向が作用する応力方向に整列し、波速に強い方向差を生じさせるパターンを作ります。一方、高温側（約1900～2100ケルビン）では、結晶は異なる配向パターンに再編成され、水平方向の剪断下では地震波の異方性が非常に弱く—ほぼ等方的な振る舞い—なることがわかりました。興味深いことに、この転換は鉄の少ない試料と鉄を多く含む試料の両方で現れ、これら条件下では化学組成ではなく温度が主要な制御因子であることを示唆しています。

結晶ファブリックから地震波へ

測定した結晶配向とブリッジマナイトの既知の弾性特性を用いて、チームはこれらのファブリックを通る地震P波とS波の伝播を計算しました。低温ファブリックは明瞭な方位角異方性を生じさせることがわかりました：特に水平方向の剪断が強い領域、例えば沈み込みスラブ下では、剪断流に結びついた方向に波が有意に速く伝わります。対照的に、同様の剪断下でも高温ファブリックは波速差が非常に微弱で、ほぼ等方的な署名を与えます。これにより、冷たい沈み込み帯の下で強い地震異方性が観測される一方で、周囲の温かい下部マントルがほぼ等方的に見える理由を、まったく異なる変形様式を持ち込むことなく自然に説明できます。

深部マントル流動の再考

これらの結果を総合して、著者らはブリッジマナイトにおける変位クリープが下部マントルの多くの部分で変形を支配している可能性を提案します。沈み込みスラブ付近のような低温領域では、低温ファブリックが強い観測可能な異方性をもたらし、多くの局所的な地震研究と一致します。より温かい、より深い、あるいはより離れた領域では、高温ファブリックにより結晶は依然として配向して岩石は流動しているにもかかわらず、地震波に対してマントルはほぼ等方的に見えます。つまり、強い異方性が見られないことは必ずしも結晶配向が存在しないことや別のクリープ様式への転換を意味するわけではありません。むしろ、ブリッジマナイトの微視的挙動の温度制御された変化が、これまで矛盾していた観測を統一し、地球深部が地質時代を通じてどのように動き、進化するかについてより明瞭な像を提供します。

引用: Guan, L., Yamazaki, D., Tsujino, N. et al. Dislocation creep may control bridgmanite deformation in the Earth’s lower mantle. Commun Earth Environ 7, 183 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03212-9

キーワード: 地球下部マントル, ブリッジマナイト, 地震波異方性, マントル対流, 変位クリープ