海洋マントルにおける小スケール対流の証拠検出 南太平洋アイツタキ島マントル捕獲岩からのアプローチ

東京工業大学 理学院 地球惑星科学系の石川晃准教授は、東京大学 大気海洋研究所の秋澤紀克助教、小澤一仁特任研究員、同大学 大学院理学系研究科の大嶋ちひろ大学院生（研究当時）を中心として、京都大学 大学院人間・環境学研究科、京都大学 理学研究科、東京学芸大学 教育学部、静岡大学 理学部、金沢大学 理工研究域のメンバーで構成される共同研究チームで、南太平洋アイツタキ島のマントル捕獲岩^[用語1]を用いて、海洋域のマントル^[用語2]で小スケール対流^[用語3]が発生していることを明らかにしました。本研究では、南太平洋・クック諸島の島であるアイツタキ島で採取されたマントル捕獲岩（図1）を用いて、詳細な岩石記載、構造解析、化学分析、数値モデリングを実施することで、小スケール対流の証拠となるマントルの下降流と上昇流を世界で初めて物質的に実証することに成功しました。先行研究ではアイツタキ島のマントル捕獲岩にザクロ石^[用語4]と呼ばれる高圧を示す鉱物が確認できていませんでしたが、本研究で実施した細粒分解物（あるいは細粒鉱物集合体）のナノスケールにまで及ぶ詳細な解析から、細粒分解物がザクロ石であると証明した点で新規性があります。この研究成果から小スケール対流の開始時期が推定できるようになるため、今後地球の冷却モデルの高精度化への貢献が期待されます。

（a）岩石薄片を直交する2枚の偏光フィルタを通して撮影した写真。カラフルな部分がマントル捕獲岩。（b）鉱物ごとに色分けしたイメージ。図aに白四角で対応範囲を示しています。各鉱物の色分けは右側に示してあります。赤で示す部分が細粒鉱物集合体で、ザクロ石が分解してできたものです。

小スケール対流は地球の冷却を促進させる効果があるため、その存否を知ることは地球の冷却史を正確に推定する上で重要です。しかし、小スケール対流の存否は地球物理学的観測、アナログ物質を用いた実験、物理モデルから議論されてきており、物質的な実証はこれまでなされておりませんでした。このたび、本研究チームはクック諸島・アイツタキ島に産するマントル捕獲岩に見られる特異な細粒鉱物集合体（図2）が、ザクロ石が分解してできたものであることを証明しました。ザクロ石はマントル中では高圧下（～70km以深）でのみ安定であるため、ザクロ石が含まれていたということは地球深部情報を保持しているということが期待されます。

ザクロ石が分解してできた、細粒鉱物集合体。赤色、緑色、青色はそれぞれマグネシウム、アルミニウム、カルシウムの含有量の違いを示します。この元素含有量の違いから、鉱物種がわかります。

本研究で発見したザクロ石分解物中にはスピネル^[用語5]が包有されており、ザクロ石分解物周囲はカンラン石^[用語6]が多く直方輝石^[用語7]や単斜輝石^[用語8]が少ないことが観察されました（図1）。その組織的な特徴から、マントル捕獲岩が圧力上昇＝下降運動を経験し、スピネル＋直方輝石＋単斜輝石→カンラン石＋ザクロ石という鉱物相変化が起こったことを検証しました。一方で、同岩石サンプルの直方輝石には元素拡散に伴う粒子中心から端に向かう化学組成変化が認められました（図3）。その化学組成変化は、温度―圧力変化に応答して鉱物が化学的平衡を保つために連続的に起こったものであり、元素拡散モデリングを適用することで、0.24~0.6 cm/年の圧力減少＝上昇運動速度を推定しました。そして、マントル捕獲岩がマグマによってアイツタキ島に運ばれる途中で、急激な圧力減少を経験することで細粒鉱物集合体（図2）に分解してしまったということを明らかにしました。

（aとb）直方輝石の粒子内におけるアルミニウムとカルシウムの含有量変化。寒色から暖色に向かって含有量が上昇します。（c）図aとbに示された赤線沿いのアルミニウム、カルシウム、クロム含有量変化。アルミニウム、カルシウム、クロム含有量は、酸素含有量を6とした際の単位式中の値となっています。

以上の結果を考慮すると、太平洋プレート^[用語9]が形成されて1億年ほど経過した海洋マントルでは小スケール対流が起こっており、その下降運動と上昇運動が今回研究で使用したマントル捕獲岩に記録されたということが確認されました（図4）。本研究を通して海洋マントルにおける小スケール対流が検出されたことにより、その対流開始時期が海洋プレート形成後１億年以前であることがわかるため、地球冷却モデルの高精度化への貢献が期待されます。

アイツタキ島の下では、太平洋プレートの動きに垂直方向の小スケール対流が引き起こされており、その運動はマントル捕獲岩に記録されていました。

石川晃 准教授
藤田遼 研究当時：博士課程

秋澤紀克 助教（兼：東京学芸大学 非常勤講師）
小澤一仁 特任研究員

ウォリス・サイモン 教授
大嶋ちひろ 研究当時：修士課程

小木曽哲 教授

三宅亮 教授
伊神洋平 助教
安本篤 研究当時：博士課程

永冶方敬 講師（兼：東京大学大学院理学系研究科 客員共同研究員）

川本竜彦 教授

森下知晃 教授
田村明弘 研究員
荒井章司 名誉教授