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SCIENTIFIC AMERICAN May 2010

The Earth's Missing Ingredient

地球進化の謎を解くマントルD”層

By Kei Hirose 廣瀬 敬
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※ この記事は著者自身が英語から日本語に訳して日経サイエンスに掲載したため,原文の英語にはない文章が後から付け加えられています。 
The deepest hole humans have ever dug reaches 12 kilometers below the ground of Russia's Kola Peninsula. Although we now have a spacecraft on its way to Pluto-about six billion kilometers away from the sun-we still cannot send a probe into the deep earth. For practical purposes, then, the center of the planet, which lies 6,380 kilometers below us, is farther away than the edge of our solar system. In fact, Pluto was discovered in 1930, and the existence of the earth's inner core was not established-using seismological data-until six years later. 人類がこれまでに掘った最も深い穴はロシアのコラ半島にあるが,その深さは12kmにすぎない。太陽からおよそ60億kmも離れた冥王星へ探査機を飛ばすことはできても(NASAの探査機ニュー・ホライズンズは2015年に冥王星へ最接近する予定),映画の世界を除くと,残念ながら地球の深部へ探査船を送ることは不可能だ。地表から6380kmの下にある地球の中心は,太陽系の果てよりも実質的に遠いのだ。実際,冥王星が発見されたのは1930年だが,地球最深部に位置する内核(固体金属コア)の存在が地震学的データから明らかになったのはそれより6年後のことだった。
Still, earth scientists have gained a surprising amount of insight about our planet. We know it is roughly structured like an onion, with the core, mantle and crust forming concentric layers. The mantle constitutes about 85 percent of the earth's volume, and its slow stirring drives the geologic cataclysms of the crust. This middle domain is mainly a mix of silicon, iron, oxygen, magnesium-each of which appears in roughly the same concentrations throughout the mantle-plus smaller amounts of other elements. But depending on the depth, these elements combine into different types of minerals. Thus, the mantle is itself divided into concentric layers, with different minerals predominating at different depths. しかし,科学者は地球内部に関して驚くべき量の知識を積み上げてきた。地球はその中心部からコア,マントル,地殻の順番で層を成す玉ねぎ状構造をしていることがわかっている。
 そのうちマントルは体積にして85%を占め,その内部のゆるやかな対流の結果,火山活動を通じて地表では地殻が成長している。マントルはおもにケイ素,マグネシウム,鉄,酸素から構成されている。マントル全域にわたってこれらの元素の存在比はほぼ一定と考えられている一方,これらの元素が作る鉱物は深さとともにその構造を変化させていく。その結果,マントルはその主要鉱物が異なる,いくつかの層に分かれている。
Although the nature and composition of most of those layers have been fairly well understood for decades, until recently the lowermost layer remained a bit of a puzzle. But in 2002 the synthesis in my laboratory of a novel, dense mineral that forms at the temperatures and pressures of the bottom 300 kilometers of the mantle solved the mystery. Since then, studies have revealed that the mineral, called postperovskite, dramatically affects the planet's dynamics. マントルの各層の性質や組成については半世紀以上も前から研究が進んでいるが,その最下層についてはごく最近までよくわかっていなかった。しかし2002年に,私たちのグループによる研究が突破口となり,その謎は一気に解決に向かった。私たちはマントルの最下部,底から300kmほどの場所に相当する高温と高圧の環境を作り出し,この環境に存在する新しい鉱物を合成することに成功したのだ。
Its apparent presence in the mantle, researchers have shown, implies that the mantle's convection currents (in which cooler rock sinks and hotter rock upwells, taking some of the earth's inner heat with it) are more dynamic and more efficient at carrying heat than was thought. ポストペロフスカイトと命名したこの新しい鉱物は,地球内部のダイナミクスに大きな影響を及ぼしていることが,その後の一連の研究から明らかになった。すなわち,ポストペロフスカイトが存在することにより,マントルの対流運動(冷たい岩石は下降し,熱い岩石は深部の熱とともに上昇する)はそれまで考えられていたよりも活発で,熱を効率よく輸送していることがわかってきたのである。
Without postperovskite, continents would have grown slower and volcanoes would have been quieter. The formation of postperovskite may also have hastened the strengthening of the earth's magnetic field, which made life possible on land by shielding it from cosmic rays and solar wind. In other words, postperovskite was a key missing ingredient for understanding the evolution of our planet. 逆に,もしこの新鉱物が存在していなければ,大陸の成長はもっと遅く,火山の活動もずっと穏やかだったに違いない。実際,ポストペロフスカイトは初期の地球には存在していなかったはずだ。その出現によって熱の流れが盛んになり,コアの冷却が進んだ結果,地球磁場がより強くなったと考えられる。この強い磁場が有害な宇宙線や太陽風を防ぐようになったおかげで,生物は陸上へと上がることができたと考えられる。あらたに発見されたポストペロフスカイトこそ,地球の進化の謎を解くカギだったのだ。
Geophysicists map the structure of the earth by measuring seismic waves. After an earthquake, because waves travel through the entire planet, sensitive instruments can pick them up on the other side of the world. When waves cross the boundaries between different materials, they may be refracted or reflected. Global measurements of such behavior have shown that the mantle has five layers, with each boundary between the layers marked by a jump in the waves' velocity. Researchers have linked these jumps to changes in the structure of the rock-changes attributed to the pressures and temperatures that exist as one goes deeper down. 地球物理学者は,地震波を使って地球内部の構造を調べている。大きな地震が起きれば,地震波は地球全体に伝わるので,その波は地球の裏側でも精密な地震計によって検出できる。波が異なる物質の間の境界を通るとき,それらは屈折,もしくは反射する。そのような地震波のふるまいが地球全体にわたって調べられた結果,マントルは5つの層に分かれ,それぞれの境界では地震波が伝わる速度が不連続に変化することがわかった。研究者は,「深さとともに圧力が上がっていった結果,ある深さで突然岩石の構造が変わる」ことによって,地震波速度がジャンプすると考えてきた。
Rock is made of different minerals. A mineral is an arrangement of atoms into a particular geometric pattern, or crystal, and thus has its own composition, physical properties and even color-think of the different types of grains in an ordinary granite kitchen counter. Below certain thresholds of depth down in the mantle, the enormous pressures and temperatures force the elements to rearrange into new crystal structures. As physicists say, the materials undergo a phase transition. ここで少し,用語の整理をしておこう。一般に,岩石は数種類の鉱物の集合体だ。鉱物は結晶の仲間で,原子がある規則に従って配列したものだ。このため,固有の化学組成,物性,ときには色を持っている。例えば花こう岩には黒,白,無色の3種類の異なる鉱物が含まれている。ある特定の深さ(別の言い方をすると,ある圧力と温度)になると,岩石中のある鉱物が別の原子配列を持つ構造へ突如として変化する。この現象を「相転移」と呼んでいる。身近な例をあげると,水から氷への変化も相転移だ。また炭素から成るグラファイトは約5万気圧でダイヤモンドへと相転移する。
Lacking the ability to probe the depths of the earth, early geologists who wanted to study these structures had to look for mantle rocks to be brought up to the surface by magmas of deep origin. These rocks often enclose diamonds. Because diamonds form under the pressures and temperatures that exist at 150 kilometers of depth or more, their host rocks can be presumed to originate from a similar depth; they thus provide a wealth of information about the uppermost part of the mantle. But mantle rocks or minerals derived from depths greater than 200 kilometers reach the surface only rarely. 残念ながら地球深部を直接のぞくことは不可能だ。ゆえに,こうした構造変化を見るには,以前はマグマにとらえられて地下深くからやってくるマントルの岩石を見るしかなかった。そのような岩石は,例えばダイヤモンド鉱山で手に入る。上に述べたように,ダイヤモンドは5万気圧,すなわち地下約150kmよりも深い場所でないと自然界では生成されない。つまり,ダイヤモンドを含む岩石は,少なくとも150kmよりも深いところから,キンバーライトと呼ばれるガスに富んだマグマに捕獲されて一緒に上がってきたはずだ。そのような岩石はマントルの重要な情報を含んでいる。しかし,200kmを超える深さからやってきた岩石はほとんど存在しない。