マントル最下部の結晶粒はどれくらいの大きさか

アフリカと太平洋のはるか地下、マントルの底では、2つの巨大な領域で地震波が遅くなる。大規模低せん断波速度領域(LLSVP)と呼ばれるものだ。これらは核との境界から1,000km以上の高さまで立ち上がり、境界面のほぼ4分の1を覆っている。周囲より高温なのか、化学組成が違うのか、あるいはその両方なのかは、いまも議論が続いている。地震波の減衰の研究からは、これらの領域が粗い結晶粒でできており、より細粒のマントルに取り囲まれていることがうかがえる。

その構成成分の候補の一つがデーヴマオ石(davemaoite)だ。ペロブスカイト構造をもつケイ酸カルシウムで、下部マントルで3番目に多い鉱物である。マントル岩石の標準モデルであるパイロライトの約10%、沈み込んだ玄武岩では最大25%を占める。

30%の謎

デーヴマオ石は研究しにくい鉱物だ。冷えると構造が変わり、圧力が下がるとガラス状になってしまうため、壊さずに地表まで持ち帰ることができない。そのため弾性は高圧・高温の条件下で測定しなければならない。そしてその条件で、理論と実験は数十年にわたって食い違ってきた。量子計算は、測定値より約30%高いせん断弾性率を予測するのだ。マントルのほとんどの鉱物では、両者はよく一致する。

中国地質大学(武漢)、ドイツのバイロイト大学、ミシガン大学のジャン・ペイユー(Peiyu Zhang)、ユエン・リャン(Liang Yuan)らは、試料を疑った。実験室での測定はどれも、ガラスから作った多結晶体を使っていた。結晶粒の大きさはわずか数十ナノメートルで、そのため粒界が非常に多い。それらの粒界にある薄い乱れた層や、残ったガラスは、X線回折にはほとんど現れないが、物質を軟らかくしうる。

数百万個の原子

これを検証するため、チームは0〜100ギガパスカル、0〜6,000ケルビンの範囲を網羅する量子計算で原子間力の機械学習モデルを訓練した。巨大な系をシミュレーションできるほど精度の高いモデルだ。まず基本事項を確認した。下部マントルでは、デーヴマオ石は平均すると立方晶である。20,480個の原子からなる完全な単結晶でも、せん断波の速度は実験より10%以上速く出た。つまり、シミュレーションの規模も、近くで起きる相転移も、食い違いを説明しなかった。

次にチームは、幅約30ナノメートルの箱の中に15個、120個、480個のランダムな向きの結晶粒を入れた系を作った。原子数は最大340万個、条件は50ギガパスカル、2,142ケルビンである。結晶粒が細かいほど乱れた部分の割合は大きくなり、体積比で1.8%、3.5%、**5.8%**となった。

わずかな乱れ、大きな軟化

完全な結晶と480粒の試料を比べると、

• せん断弾性率は37%低下した(213から136ギガパスカルへ)。
• 体積弾性率の低下はわずか12%だった。
• せん断波速度は19.3%、縦波(P波)速度は10.6%低下した。

つまり、数パーセントの粒界の乱れがあれば、理論を実験と一致させるのに十分だということだ。同じ範囲で、シミュレーションしたX線パターンはほとんど変わらない。実験者がそれに気づけなかったのはそのためだ。この多結晶体は、物理的に許される最も軟らかい配置のようにふるまう。その剛性は、つながり合った軟らかい粒界のネットワークによって決まるのである。

結晶粒の大きさの下限

軟化したデーヴマオ石をマントル岩石のモデルに組み込むと、玄武岩に富む物質でLLSVPに似た特徴が生じる。せん断波はパイロライトより6.2%遅く、縦波はわずか1.9%遅いだけだ。著者らは、これはメカニズムを示したものであって、そのような細かい結晶粒が地下深くに実在することを示したわけではないと強調している。

逆にたどると、この関係は制約を与える。乱れた部分の割合は、おおよそ粒界の幅(約1ナノメートル)を結晶粒の大きさで割った値に比例する。LLSVPで観測される控えめな縦波の異常を保つには、その割合は約1%未満にとどまらなければならない。したがって結晶粒の大きさは少なくとも約100ナノメートルなければならない。この下限は、対流するマントルにおける結晶粒成長のモデルとも、LLSVPが粗粒であることを示す地震学的証拠とも一致する。

シミュレーションは純粋なケイ酸カルシウムを使っているが、天然のデーヴマオ石はナトリウム、カリウム、鉄、アルミニウム、チタンを含む。また、シミュレーションの結晶粒は実際のマントルの結晶粒よりはるかに小さい。チームは、全X線散乱、ラマンイメージング、粒界のナノスケール化学マッピングという3つの実験的アプローチを提案している。これまで数値を決めてきた試料の中にどれだけの乱れが隠れているのかを、ついに測定するためだ。