惑星形成期における核-マントル間の炭素分配

地球の炭素はいつ、どのようにもたらされたのか?

惑星形成期ではその集積過程でマグマの海が形成され、不混和相である金属核とマントルとが分離したと考えられています。核-マントル分離の際、炭素は非常に鉄と結びつきやすい元素であるためマントルに残る炭素は材料物質に比べて非常に少ないと考えられています。したがって、地球上の大気と生命を形成する炭素のほとんどは、核形成後に炭素に富んだ天体によって運ばれたと考えられていました。 しかし、新らたに行われた高圧実験は、以前の研究が核へ分配される炭素量を過大評価していた可能性があることを示しています。

地球型惑星はその形成過程で惑星表面がマグマの海で覆われたことが一般に受け入れられています。深いマグマの海では、鉄はケイ酸塩から分離して沈み、最終的に金属核を形成します。この段階では、金属核とマグマの海との間で元素分配が起こり、親鉄性元素がマグマの海から除去されます。このような化学的に分化したマグマの海は、現在の地球のマントルを形成したと考えられています。これまでの研究では、マグマの海中で分離する鉄液体とマグマ間の炭素分配を実験的に調べ、核分離後のマグマから成る地球マントルの炭素量が現在の地球マントルで見積もられている炭素量よりも非常に少ない状態にあったことを指摘しました。こうしたことから、地球の炭素がいつ、どのようにもたらされたのかは大きな謎でした。

先行研究ではグラファイトカプセルを使用していたため、試料中の炭素は飽和した状態でした。しかし、地球の材料物質と考えられているコンドライトの炭素量を考えると、地球全体が炭素で飽和している可能性は低いです。さらに、実験条件が同一であっても、分配係数は対象元素の濃度によって変化することが知られています。このような問題意識のもと、鉄-ケイ酸塩液相間の炭素分配に対する試料中の炭素濃度の影響を調べるために、愛媛大学、京都大学、海洋研究開発機構の研究者らは、窒化ホウ素カプセルを使用して、炭素未飽和の条件下で炭素分配実験を実施しました。

実験結果は、炭素未飽和条件下での鉄-ケイ酸塩液相間の炭素分配係数が、グラファイトカプセルを使用した以前の研究よりも数倍低いことを示しました。これは、マグマの海の炭素が以前に考えられていたほど枯渇してはおらず、惑星形成期における核とマントル間の炭素分配について見直す必要があることを示唆しています。

参考 URL:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL084254

論文情報

【掲載誌】 Geophysical Research Letters

【題名】The Effects of Carbon Concentration and Silicate Composition on the MetalSilicate Partitioning of Carbon in a Shallow Magma Ocean (マグマオーシャン浅部条件における鉄-ケイ酸塩の炭素分配に炭素濃度およびケイ酸塩組成が与える影響)

【著者】Hideharu Kuwahara, Shoichi Itoh, Ryoichi Nakada, Tetsuo Irifune

DOI】doi:10.1029/2019GL084254

助成金等

  • Japan Society for the Promotion of Sciences (JSPS) KAKENHI Grant Number 18J00966, and 18K13635

図表等

  • 急冷液体鉄に分配された炭素量

    急冷液体鉄に分配された炭素量

    credit : 愛媛大学
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問い合わせ先

氏名 : 桑原 秀治
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E-mail : kuwahara@sci.ehime-u.ac.jp
所属 : 地球深部ダイナミクス研究センター