低い水活性条件下でのマントルトランジションゾーンにおける高密度含水マグネシウムケイ酸塩の安定性と分布

地球深部に隠された水

地表のはるか下では、水は単に液体として流れるだけでなく、結晶内部に隠れて地球の挙動を左右しています。本研究は一見単純な疑問を問います：海洋プレートが深く沈み込むとき、その水のうちどれだけが数百キロメートル下の重要な境界を越えて到達し得るのか？この答えは、火山の形成過程から、地球の岩石圏がどれほどの水を貯蔵できるかまで、幅広い理解に影響します。

沈み込むプレートが水を運ぶ場所

海洋プレートがマントルに沈み込む際、蛇紋岩などの含水鉱物に閉じ込められた水を運びます。プレートが沈み込み温度が上がると、これらの鉱物の多くは分解して水を放出し、その水は上昇してマグマや火山を供給します。元の水のうちごく一部だけが、深さ約410〜660キロメートルの間にあるマントルトランジションゾーンまで到達します。地質学者の間では、プレートがこのゾーンに達したときに、高密度含水マグネシウムケイ酸塩と呼ばれる特別な含水鉱物が深部の主要な水の運び手になるかどうかが長年議論されてきました。

実験室で地球深部を再現する

この仮説を検証するため、著者らはマグネシウム・ケイ素・水の単純な混合物を、マントルトランジションゾーンに相当する圧力と温度にまで加圧・加熱しました。全体の水分量を極めて乾燥した状態から中程度に湿った状態まで慎重に変化させ、16および21.5ギガパスカル、1400ケルビンでどの鉱物が形成されるかを観察しました。微視的な観察と個々の結晶中の水の精密測定により、水素が実際に岩石内部のどこに収まるかを追跡しました。

水を吸い込む結晶たち

実験は、ワズレイナイトとリングウッド石という二つの一般的なマントル鉱物が強力なスポンジのように振る舞うことを示しています。系全体の水含有量が概ね1.2重量パーセント以下である限り、ほとんどすべての水は別の含水相を形成するのではなく、結晶構造中の微小な欠陥としてこれらの鉱物に取り込まれます。この閾値を超えた場合にのみ高密度含水マグネシウムケイ酸塩が現れ始め、しかもそれらはワズレイナイトやリングウッド石を食い潰す形で成長します。系全体の質量収支を考慮した計算は、これらの結果が幅広い組成範囲で一貫していることを確認します。

なぜ深部マントルは比較的乾いているのか

自然の沈み込むプレートは、マリアナ海溝のような異常に冷たく湿った領域であっても、浅部の含水鉱物が分解した後には通常およそ1重量パーセントを超える水を運んでいません。つまり、特別な水豊富なケイ酸塩を安定化させるために必要な閾値を通常は下回ることになります。代わりに、水は名義上は乾いた鉱物中の結晶欠陥として主に貯蔵されるため、より深部に到達する前に漏れ出したり再分配されたりしやすくなります。二酸化炭素の存在などの追加的な要因は有効な水活性をさらに低下させ、これらの高密度含水相が実際の岩石中で形成されるのを一層困難にします。

660キロメートル境界で何が起きるか

スラブが約660キロメートルを越えて下降すると、リングウッド石は非常に少量の水しか保持できない下部マントル鉱物に分解します。余剰の水は小さな融解ポケットを形成し、それらは下方に引きずられるよりも溜まるか上方へ移動する傾向があります。ごく一部のアルミニウムに富む安定な含水相のみが、限られた量の水をさらに深部へ運ぶ可能性があります。総じて、本研究はマントルトランジションゾーンが深部水輸送にとって高速道路というよりは障壁として働くと結論付けています：ワズレイナイトとリングウッド石がそこで水の大部分を捕らえ、海洋の水が大規模に下部マントルへリサイクルされる可能性は控えめであるということです。

引用: Song, Y., Guo, X., Zhai, K. et al. Stability and distribution of dense hydrous magnesium silicates in the mantle transition zone under low water activity conditions. Commun Earth Environ 7, 265 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03379-1

キーワード: マントルトランジションゾーン, 沈み込みによる水の循環, ワズレイナイトとリングウッド石, 地球深部の水和, 含水マントル鉱物