アルミニウムに富む超含水相の弾性波速度測定により沈み込み帯の下に含水マントル領域が存在することを示唆

【研究のポイント】
・地球マントルの水運搬を担う鉱物である超含水相B（SuB）のアルミニウム含有相の高圧・高温条件下での弾性波速度測定を行った。
・アルミニウムの含有によって、含水量に伴ってSuBの弾性波速度が大きく変化することが分かった。
・地震波観測で示される、プレート沈み込み帯下のマントル遷移層や下部マントルの上部（深さ600~800 km）での地震波低速度異常は、アルミニウム含有のSuBの存在で説明できる可能性が示唆された。
・この結果は、プレートの沈み込みとともにマントル深部に運ばれる水の存在や循環の理解に貢献する。

【研究の概要】
愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター（GRC）の研究者らは、地球深部に存在する含水マグネシウムケイ酸塩の一つである超含水相Bの弾性波速度がアルミニウムの含有量によって顕著に変化することを発見した。SPring-8でのX線放射光と超音波を用いた大容量高温高圧実験装置による測定結果から、プレート沈み込み帯の下の地球マントル遷移層や下部マントル最上部で観測される地震波速度異常は、アルミニウムに富むB相が多量の水を運び込むことで引き起こされている可能性が示唆された。

高密度含水マグネシウムケイ酸塩（DHMS）は、一般に、沈み込むプレートに伴って、地表付近からマントル遷移層（深さ410-660km）まで水を運ぶ主要な物質と考えられている。DHMSのうち、スーパー含水B相（以下、SuB）は化学式Mg₁₀Si₃H₃O₁₈を持つ。この相は多量の水を保持すると考えられており、マントル遷移層の貯水量や地球深部への水の輸送に重要な役割を果たしていると考えられるが、1000℃以上にもなる地球マントルの高温に対して相対的に不安定であるため、SuBは一般に沈み込んだプレートの内側などの低温域に存在する。しかし、愛媛大学で行われた最近の実験的研究によると、アルミニウムを含むSuBは温度に対する安定性が飛躍的に向上し（Kakizawa et al., 2018など）、この鉱物が地球の下部マントルに相当する高圧・高温条件で安定性を維持できることが示された。
2022年には、愛媛大学の同じ研究チームが、放射光施設SPring-8にあるビームラインBL04B1のマルチアンビル装置（高温高圧発生装置）に実装されたX線と超音波の技術を用いて、SuBの弾性波速度（地震波速度：縦波速度（V_P）とせん断速度（V_S））を報告している（Xu et al., 2022など）。実験的なマントル鉱物の弾性波速度の測定は、地震波観測による結果、ひいてはマントルの構成を知る上で重要である。この結果、沈み込んだプレート領域で観測される地震波の低速度とSuBの存在が相関することが示された。
今回の研究も同じ研究チームにより、アルミニウムを含んだSuB試料について、同様の高圧高温下の弾性波測定を行った（図1）。その結果、アルミニウムを含むSuB（図2のAl-bearing SuB）は、アルミニウムを含まないSuB（図2のAl-free SuB）と比較して、含水量の増加に伴い大きな弾性波速度変化をもたらすことが示唆された。
この新しい発見は、SuBの中にアルミニウムが存在すると、温度に対する安定性と水を貯蔵する能力が上昇するという知見に加えて、アルミニウムを含むSuBが、深さ600～800 kmのマントル遷移層の底部や下部マントルの上部において、プレート沈み込み帯の下で地震学的に観測される地震波速度異常を説明する可能性を示唆している。これらの結果は、(1) かつて地表付近にあった含水地殻の地球下部マントルへの運搬と循環、(2) 観測された地震波速度異常のマントル組成の観点での解釈、(3) 深部マントルに運ばれる可能性のある水の量の推定、に大きく貢献する。

参考 URL1: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023GL107818

論文情報

Effect of Al‐incorporation on the sound velocities of superhydrous phase B at high pressure and high temperature,
Chaowen Xu, Steeve Gréaux, Ying Li, Fengxia Sun, Jing Gao, and Toru Inoue,
Geophysical Research Letters, 51, e2023GL107818.
doi:10.1029/2023GL107818, 2024 (June 16).

助成金等

• 日本学術振興会（JSPS）特別研究員（DC）
• 日本学術振興会特別研究員奨励金（助成番号18J12511）
• 中国国家自然科学基金（42003050、42073063、41902035）

図表等

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  【図1】スーパー含水Bの弾性波速度に及ぼすAl+H添加の影響

  スーパー含水Bの結晶構造における、アルミニウムと水（Al+H）が組込まれる模式図。

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  【図2】スーパー含水Bの弾性波速度とAl+H含有量

  スーパー含水B相（SuB）の縦波速度（V_P）とせん断波速度（V_S）をAl+H含有量の関数として示す。黒丸はアルミニウムを含まないSuB（Xu et al., 2022; Li et al., 2016; Rosa et al., 2015）を表し、白丸は本研究とLi et al.（2022）によるアルミニウムを含むSuBである。

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