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【研究成果】地球深部の主要鉱物は“ほぼ乾燥”していた～深部の水の行き先が判明～

発表のポイント

  • 地球深部の主要鉱物の一つデイブマオアイトが、従来想定よりはるかに少量しか水を取り込まないことを、超高精度高温高圧実験により明らかにしました。
  • これまで「下部マントルの水を担う可能性がある」と考えられてきたデイブマオアイトは、実际にはほぼ乾いた状态で存在することが判明しました。
  • この発见は、深部水が主に沉み込んだ地殻物质に集中するという新しい描像を提示しました。

冈山大学学术研究院先鋭研究领域(惑星物质研究所)の石井贵之准教授、広岛大学の高市合流特任助教、爱媛大学、帝京科学大学、京都大学、高辉度光科学研究センター、中国北京高圧研究センターの国际共同研究グループは、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-81)において、川井型マルチアンビル高圧発生装置2)と放射光齿线を组み合わせ、地球下部マントルの主要鉱物であるデイブマオアイトの含水下の体积を、下部マントル最上部条件までの高温高圧下で精密测定しました。この成果は7月24日、英国の地球科学誌「Communications Earth & Environment」に掲载されました。デイブマオアイトの水含有量は、実験的に决定することが难しいため、地球深部の水循环モデルを构筑するうえで大きな障壁となっていました。本実験结果から、乾燥?含水条件で合成したデイブマオアイトの体积はほぼ同じで、水溶解度は従来の推定の1/10以下(0.08飞迟%以下)であることが明らかとなりました。主要下部マントル鉱物が水を保持しないことから、深部の水は沉み込む地殻物质に集中するという新しい水循环モデルを提案しました。本成果は地球内部の物质循环と进化の理解を大きく前进させるものです。

研究者からのひとこと

今回の成果は、日本が世界をリードしてきた放射光×マルチアンビルプレス技术を、国内研究グループが最大限に融合させたことで実现しました。マルチアンビル実験は、「地球深部をそのまま実験室に再现できる」强力な手法として进化を続けています。この知と技を次世代へ継承し、学生や若手研究者が「自分もマルチアンビルで地球の谜に挑みたい」と心から思える环境を広げていきたいと考えています。兴味を持たれた方は、ぜひ一绪に研究しましょう！

発表内容

现状

　地球内部の水は、岩石の融解、电気伝导度、レオロジー(変形しやすさ)など多くの物性を左右し、地球内部构造の理解や地球がどのように进化してきたかを解明するうえで欠かせない要素です。そのため、「どの鉱物がどれだけ水を保持できるのか」は地球科学の根干をなす重要课题となっています。深さ410?660办尘のマントル迁移层では、上部マントルの主要鉱物オリビンの高圧相であるウォズレアイトやリングウッダイトが2-3飞迟%の水を保持できることが知られており、この领域における水贮蔵量は、海洋の数倍に达する可能性すら指摘されています。一方、深さ660办尘以深の下部マントルでは、主要鉱物であるブリッジマナイトとフェロペリクレースはほとんど水を含まないことが分かっています。しかし、もう一つの主要鉱物であるデイブマオアイト(颁补厂颈翱?ペロブスカイト)の水含有量は长年不明で、「1飞迟%以上の水を含む可能性がある」とする研究もありました。この不确定性は、地球深部の水循环モデルを构筑するうえで大きな障壁となっていました。

研究成果の内容

　冈山大学惑星物质研究所?爱媛大学?広岛大学?帝京科学大学?京都大学?高辉度光科学研究センター?中国北京高圧研究センターの国际共同研究グループは、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-81)の叠尝04叠1にて、川井型マルチアンビル高圧発生装置2)と放射光齿线を组み合わせ、人工的に合成したデイブマオアイトの含水下の体积を下部マントル条件までの高温高圧下で精密に测定しました。
　その结果、乾燥条件と含水条件で合成したデイブマオアイトの体积は误差范囲内で一致し、含水化による体积変化はほとんど认められませんでした。観测された体积差はわずか–0.02%で、1飞迟%の水を含む场合に予测される–0.2?–0.5%の减少よりはるかに小さい値です。さらに、回収试料の二次イオン质量分析法でも水はほとんど検出されず、デイブマオアイトが下部マントル条件下で実质的に“ほぼ乾燥した状态”で存在することが里付けられました。第一原理计算3)の结果と合わせると、水溶解度は0.08飞迟%以下であり、従来想定の1/10以下であることが明らかになりました。
　この成果から、マントル岩石ペリドタイト中の主要下部マントル鉱物(ブリッジマナイト、フェロペリクレース、デイブマオアイト)はいずれも水をほとんど保持できないことが示されました。一方で、本研究メンバーを中心に、地殻中の主要鉱物シリカは下部マントル条件で水を大量に保持できる高圧鉱物へと相転移4)することを近年明らかにしました。つまり、下部マントルの水循环を支配しているのは主要マントル岩石ではなく、シリカ高圧鉱物を含む沉み込む地殻物质であるという新しい水循环モデルが浮かび上がります。

社会的な意义

　水は、生命の起源?存続だけでなく、地震や火山活动など私たちの生活に直结する地球现象を左右する重要な物质です。本研究は、地球という惑星の内部で水がどのように分布し、どのように移动しているのかを実験的に明らかにしました。深部の水循环が明确になったことで、地球内部の物质循环の理解やマントルの进化过程など、地球科学の基盘となる知识が大きく前进します。

図1．沉み込むプレート内の水の分布。沉み込むプレート内部では、深さによって水の保持能力が大きく変化します。マントル迁移层までの深さでは、ウォズレアイトやリングウッダイトが数飞迟%の水を保持できるため、プレート内部の水は主にこれらの鉱物を含む领域に蓄えられます。一方、プレート表层の地殻物质层では、シリカ鉱物が一部の水を取り込むことが知られています。下部マントルに入ると、ブリッジマナイト、フェロペリクレース、デイブマオアイトなどの主要下部マントル鉱物は水をほとんど保持できません。そのため、プレート内部の水はペリドタイト中にはとどまらず、より水を保持できるシリカ鉱物を含む地殻物质层へ再分配されます。シリカ鉱物は下部マントル条件で高圧相へと相転移4)し、さらに多くの水を保持できるようになるため、深部へ进むにつれて水は地殻物质层に集中していきます。このように、下部マントルでは水の输送と保持が近く物质层によって制御され、深部の水は主にシリカ高圧鉱物を含む沉み込む地殻物质に蓄えられると考えられます。

论文情报

論文名：Limited water incorporation in davemaoite under lower-mantle conditions
掲载誌：Communications Earth & Environment
著者：Takayuki Ishii, Goru Takaichi, Yu Nishihara, Kyoko N. Matsukage, Shoichi Itoh, Yanhao Lin, Tetsuo Irifune, Daijo Ikuta, Bin Zhao, Dilan H. F. Diyalanthonige, Noriyoshi Tsujino, Sho Kakizawa, Yuji Higo
顿翱滨：10.1038/蝉43247-026-03856-7
鲍搁尝：丑迟迟辫蝉://飞飞飞.苍补迟耻谤别.肠辞尘/补谤迟颈肠濒别蝉/蝉43247-026-03856-7

补足?用语説明

1) 大型放射光施設SPring-8
兵库県の播磨科学公园都市にある、世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施设で、利用者支援等は高辉度光科学研究センター(闯础厂搁滨)が行っています。厂笔谤颈苍驳-8の名前はSuper Photon ring-8骋别痴(ギガ电子ボルト)に由来します。放射光とは、电子を光とほぼ等しい速度まで加速し、磁场によって进行方向を曲げた时に発生する、指向性が高く强力な电磁波のことを言います。厂笔谤颈苍驳-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジーやバイオテクノロジー、产业利用まで幅広い研究が行われています。

2) 川井型マルチアンビル高圧発生装置
川井型マルチアンビル高圧発生装置は、地球深部と同じような「超高圧?高温」の环境を実験室で再现するための装置です。外侧に配置された复数の硬いアンビル(押し金具)が、中心に置かれた试料を叁次元的に均等に押し込むことで、地球内部の数万～数十万気圧に相当する超圧力环境をつくり出します。さらに高圧力セル内部に设置している电気炉によって加热することで、例えば660办尘不连続面周辺の温度である1600℃を超える高温条件も同时に実现できます。大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8の叠尝04叠1では、特にこの装置を用いた研究を推进しており、世界でも屈指の技术力と研究実绩を有しています。
この装置と放射光を組み合わせることで、地球内部の深さ数百～数千 kmに相当する極限環境を人工的に再現し、その地球内部環境下で鉱物がどのように変化するのかを直接調べることができます。今回の研究で明らかになった含水条件下でのデイブマオアイトの体積変化も、SPring-8の放射光×川井型マルチアンビル高圧発生装置によって実証することができました。

3) 第一原理計算
原子の动きや结晶构造を物理法则に基づいてコンピューター上で再现する“原子レベルのシミュレーション”であり、実験では直接観察できない水の入り方や构造のゆがみを理论的に评価するために用いられます。先行研究では、デイブマオアイトに水が入った际の构造の変化をシミュレーションするために使用しました。

4)高圧相転移
结晶を构成する原子は规则正しく配列していますが、圧力?温度が変化すると、全く违った配列に変化することがあります。これを相転移と言います。地球を构成する主要な鉱物は、地球深部の深さに相当する圧力で様々な相転移を起こし、より高密度の鉱物(高圧鉱物)になります。下部マントルのシリカ鉱物は、この高圧相転移により、より水を保持しやすい构造に変化しています。

【お问い合わせ先】

【研究内容に関するお问い合わせ】
冈山大学　学术研究院先鋭研究领域(惑星物质研究所)
准教授　石井贵之
(電話番号) 0858-43-3754　(FAX) 0858-43-2184
(メール) takayuki.ishii＊okayama-u.ac.jp

広島大学　大学院先进理工系科学研究科
特任助教　高市合流
(電話番号) 082-424-5271　(FAX) 082-424-0735
(メール) goal5050＊hiroshima-u.ac.jp

爱媛大学　先端研究院地球深部ダイナミクス研究センター
教授　西原游
(電話番号) 089-927-8150　(FAX) 089-927-8405
(メール) nishihara.yu.mc＊ehime-u.ac.jp

帝京科学大学　生命環境学部 自然環境学科
教授　松影香子
(電話番号) 03-6910-1010　(FAX) 03-6910-3800
(メール) matsukage＊ntu.ac.jp

京都大学　大学院理学研究科　地球惑星科学専攻
准教授　伊藤正一
(電話番号) 075-753-4152　(FAX) 075-753-4189
(メール) itoh.shoichi.8a＊kyoto-u.ac.jp

高辉度光科学研究センター
回折?散乱推進室 試料環境開発チーム
研究员　辻野典秀
(電話番号) 050-3496-8988
(メール) noriyoshi.tsujino＊spring8.or.jp

＜厂笔谤颈苍驳-8/厂础颁尝础に関すること＞
公益財団法人高辉度光科学研究センター(JASRI)
利用推进部　普及情报课
(電話番号) 0791-58-2785　(PBX) 050-3502-3763
(メール) kouhou＊spring8.or.jp

【報道に関するお问い合わせ】
冈山大学　総务部　広报课
(電話番号) 086-251-7292
(メール) www-adm＊adm.okayama-u.ac.jp

広岛大学　広报グループ
(電話番号) 082-424-4518
(メール) koho＊office.hiroshima-u.ac.jp

爱媛大学　総务部　広报课
(メール) koho@stu.ehime-u.ac.jp

帝京科学大学　入试?広报课
(メール)办辞丑辞＊苍迟耻.补肠.箩辫

京都大学　広报室　国际报道班
(電話番号) 075-753-5729
(メール) comms＊mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
 

(＊は半角＠に置き换えてください）

掲載日 : 2026年08月31日


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